JPhysD编辑优选：受拓扑保护的可切换非对称声传输
本篇研究来自西安交通大学陈天宁教授和朱建助理教授带领的课题组。主要研究成果如下：
- 将拓扑绝缘体引入到非对称声传输中，在拓扑绝缘体中引入缺陷和拐角不会影响非对称声传输特性。
- 移动声学超表面可在宽频范围内切换对称与非对称声传输。
文章介绍
Switchable asymmetric acoustic transmission based on topological insulator and metasurfaces
Chen Chen (陈琛), Tianning Chen (陈天宁), Ailing Song (宋爱玲), Xinpei Song (宋新培) and Jian Zhu (朱建)
通讯作者：
- 朱建, 西安交通大学
西安交通大学陈天宁教授课题组在本次工作中展示了受拓扑保护的可切换非对称声传输的设计。本工作首先以三角晶格声子晶体为对象研究了其在散射体旋转角度控制下的拓扑相变过程（图1）。通过计算不同旋转角度下声子晶体的贝利曲率，可以得到散射体的旋转角度α＞0°的声子晶体和α＜0°的声子晶体具有不同的谷陈数。进一步根据体边界对应原理，选择了α=30°的声子晶体和α=-30°的声子晶体构造了声谷霍尔拓扑绝缘体并验证了声谷霍尔拓扑边界态的角度选择性激发特性。如图2所示，在2800 Hz- 3300 Hz 频率范围的声波只有沿法向入射到声谷霍尔拓扑绝缘体上时才能获得最大的声传输率，而当入射角度大于30°时，入射到拓扑绝缘体上的声波会被完全反射。为了实现非对称声传输，本工作选择了具有较高透射率的螺旋型超表面，通过合理的设计，该超表面可以使2800 Hz-3200 Hz频率范围内法向入射的声波产生大于30°的折射角（图3）。最终，通过选取两周期的超表面结构置于拓扑绝缘体界面处，实现了非对称声传输并且在声谷拓扑绝缘体的边界上引入拐角和缺陷时不影响非对称声传输性质，另一方面通过简单地移动超表面可以是实现对称声传输与非对称声传输之间的切换（图4）。
图1. 三角晶格声子晶体结构及拓扑相变示意图
图2. 声谷霍尔边界态的角度选择性激发
图3. 基于螺旋结构的超表面设计
研究背景
可切换的对称与非对称声传输设备在声通讯、隐身以及噪声控制等方面具有重要的研究意义。然而，非对称声传输设备通常对结构变化以及杂质敏感并且实现对称与非对称声传输的切换手段比较复杂。因此迫切需要设计具有易于切换的且声传输性能受几何扰动影响小的非对称声传输设备。近年来，拓扑绝缘体的发展为我们设计拓扑保护的声学器件提供了理论指导和设计思路，而超表面技术可以帮助我们实现任意的声波折射角控制。本文通过结合拓扑绝缘体和声超表面在宽频范围内实现了受拓扑保护的可切换非对称声传输。
作者介绍
朱建，西安交通大学助理教授。主要从事人工结构和振动噪声控制研究。在Phys. Rev. Lett., Mater. Design, J. Phys. D: Appl. Phys., 等期刊上发表论文20余篇。
陈天宁，西安交通大学教授、博导，享受国务院政府特殊津贴专家，现任中国振动工程学会常务理事、陕西省机床工具协会常务副理事长等；主要从事振动与噪声控制、机械动力学、微机电系统技术等研究，发表论文200余篇；作为第一完成人获振动工程学会自然科学二等奖1项，省高校科技一等奖1项，省级教学成果二等奖1项等。