压电实验室马廷锋教授课题组在Physical Review Applied 发文

  近日，宁波大学马廷锋教授课题组和王骥教授课题组、俄罗斯科学院Iren Kuznetsova教授课题组合作，在《Physical Review Applied》期刊上发表文章“Realization of topological valley Hall edge states of elastic waves in phononic crystals based on material differences” (Phys. Rev. Appl. 19, 034062 (2023) )，系统地研究了基于材料差异性的频率范围可调弹性波拓扑谷霍尔边界态的实现。通过捕捉连续变化材料参数时贝利曲率和拓扑谷陈数的演化过程，澄清了基于材料差异性的拓扑谷霍尔边界态产生的机制，实现了基于材料差异性的频率范围可调弹性波拓扑谷霍尔边界态。

  近年来，拓扑绝缘体成为光波、声波及弹性波鲁棒传输控制的重要载体。其中一种常见的类型是基于谷霍尔效应的拓扑绝缘体。其是通过打破空间反演对称性，狄拉克锥简并被打开，从而获得谷赝自旋。对于谷霍尔效应拓扑传输，通常采用改变声子晶体的结构参数打破空间反演对称性。然而在很多应用场合，散射子的尺寸变化范围和散射子的间距非常小，因此获得的拓扑态频率的范围受限。除此之外，试样加工好后，通常只能得到一个固定的带宽，限制了拓扑边界态频率范围的改变。

  本文研究了基于材料差异的弹性波拓扑传输边界态的实现。通过将一组套环和基体上对应的柱子过盈配合，组成声子晶体的散射体。当两种套环材料参数存在差异时，有效空间反演对称性被打破。通过揭示连续变化材料杨氏模量和密度时贝利曲率和拓扑谷陈数的演化过程，澄清了基于材料差异性的拓扑谷霍尔边界态产生的机制。然后通过制作试样并测试，实现了基于材料差异性的频率范围可调弹性波拓扑谷霍尔边界态。之前的弹性波拓扑传输，试样完成加工后很难去改变传输路径和工作频率范围。本文提出的基于材料差异性的拓扑声子晶体，通过改变套环材料，传输路径可以被方便的改变；更重要的是：拓扑传输工作频率范围可以大幅调整。这些特性对未来开拓更丰富的弹性波拓扑传输应用场景非常关键。

  在应用层面，本文利用基于材料差异性的谷霍尔拓扑传输，设计了可重构的拓扑弹性波分流器。通过改变套环的布置和材料类型，可以获得分流器输出分支不同的传输比。另外拓扑弹性波分流器的工作频率也可以被方便地调谐。

  本文中提出的基于材料差异性的弹性波谷拓扑传输，打破了以往仅依靠改变结构参数实现谷拓扑传输的局限性，未来在基于弹性波拓扑传输的传感及通信领域具有良好的应用前景。

  以下是主要相关的结果图表：

图1. 基于材料差异的可调声子晶体的结构原理图：(a) 声子晶体板, (b)单胞：柱A和柱B上的套环采用不同的材料

图2. 两种类型单胞的谷模态: (a) A-B类型， (b) B-A 类型，(c) 谷模态的位移场和能流分布

图3.单胞的贝利曲率分布：(a) A-B型单胞色散关系第6条带，(b)A-B型单胞色散关系第5条带，(c) B-A型单胞色散关系第6条带，(d) B-A型单胞色散关系第5条带

图4 材料参数连续变化时贝利曲率、谷陈数和带隙的演化过程：(a)杨氏模量， (b)密度

图5: 制作的试样照片及测试方案图

图6. 受拓扑保护的波导(套环材料：铜合金(A), 碳钢(B)): (a) 带缺陷的直线波导设置，

(b) Z字形波导设置，(c)、(d)带缺陷直线波导的仿真和实验结果，(e)、(f) Z字形波导的仿真和实验结果

表1 通过改变套环B材料实现的工作频率范围调谐

图7. 可重构拓扑弹性波分流器：(a) 弹性波分流器路径设置，(b) 、(c) 和 (d) 三种不同路径（β分别为60°, 180°及 -60°）拓扑弹性波分流器的传输仿真结果，(e) 、(f)和 (g) 三种不同路径拓扑弹性波分流器的传输实验结果，(h) 、(i) 和 (j) 三种不同路径拓扑弹性波分流器的传输谱

  论文第一作者为宁波大学硕士生许佳超和郑元镇，论文通讯作者为宁波大学机械工程与力学学院马廷锋教授和王骥教授。论文主要合作者包括宁波大学机械工程与力学学院陈晖研究员、俄罗斯科学院Iren Kuznetsova教授和Ilya Nedospasov博士、宁波大学机械工程与力学学院杜建科教授。宁波大学硕士生吴博伟、李双汇智、石浩、陈都都、孙飞、苏博悦及康鹏飞在本工作中也贡献了力量。本工作得到国家自然科学基金面上项目（No.12172183）的资助。

论文链接：DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.034062