资讯中心

　　【仪表网 研发快讯】南京大学固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院的陈延峰研究团队，在理论上提出并制备了四维流形中受第二类自旋陈数保护的拓扑声学物态，观测到了一对具有自旋-动量锁定的单向传输纤芯态。区别于传统波导，该拓扑声纤具有手性依赖、鲁棒、抗干扰、无反射等突出优势。该工作展示了人工微结构材料体系在构建高维空间、调控声波传输与局域的能力，将传统边界传输拓展成体传输是拓扑声学材料与器件迈向现实应用过程中重要的一步。
 

图1.从二维到四维声学拓扑态示意图。
 

　　拓扑材料因其独特的体对称性保护及抗干扰的边界传输特性而广受关注。十余年来，通过对人工微结构光/声学功能基元与全局拓扑序构之间的调控，一系列新颖的光/声拓扑物态相继被发现，使得人们对光/声场的调控能力达到了新的高度。其中，拓扑光/声纤是一类能实现高效且无背向散射传导波的器件构型，自拓扑光/声学诞生之初就一直是最受期待的重要应用之一。然而，受限于拓扑物理的体-边对应原理，体块介质的拓扑特性通常体现在低维的边界上，如二维块材的一维边界和三维块材的二维表面，它们对体的利用率低且无法形成三维波导形状，难以实际应用。
 

　　为了解决这一问题，研究团队在前期率先实现二维和三维声学拓扑绝缘体的基础上 [Nat. Phys. 12, 1124 (2016) & Nat. Commun. 11, 2318 (2020)]，进一步通过引入合成维度，从高维视角出发，设计并实现了具有芯层导通、包裹层绝缘的拓扑声纤结构，为拓扑声学材料与声传输器件迈向实际应用奠定了基础(图1)。
 

　　团队设计了一种可旋转调谐的双层手性人工自旋声学功能基元，形成三维拓扑声子晶体，并结合一维涡旋调制参数(狄拉克质量项)作为合成维度，构建了一个具有四维合成空间(3个动量参数和1个调制参数)的纤芯结构。在其带隙中，研究人员实现了一对沿涡旋纤芯传输的新型声拓扑模式，其拓扑特性由四维流形中的第二类自旋陈数刻画(图2)。
 

　　图2.(a)声学功能基元(θ是调制参数)。(b)θ=0时的三维体能带。(c)不同θ下三维体能带投影。(d)四维合成空间示意图。(e)拓扑声纤结构。

 

　　在实验上，团队通过3D打印技术制备样品，并对系统的声学传输性能和色散关系进行了直接测量和表征。实验结果和理论计算吻合的很好，表明这确实是一种可以支持声波沿涡旋线中心传播的声纤结构。通过不同手性声源的选择性激发，具有不同相位涡旋的声学信号可以沿着相反方向单向传播，展示了声人工自旋-动量锁定的特征(图3)。多种缺陷下声波传输的稳定性也得到了实验验证。此外，通过改变涡旋序构的缠绕方式，可以设计出任意数量的具有特定角动量的声纤模式，这进一步拓宽了声纤应用场景和多模声纤的开发。
 

　　图3.(a)拓扑声纤样品照片。(b)投影能带与自旋声芯态。(c)自旋-动量锁定单向传输。(d)实验测量的芯态和体透射谱。(e)实验测量的自旋芯态色散。

 

　　在此基础上，进一步应用拓扑层级性，通过降低体系对称性以破缺自旋芯态的简并，研究人员实现了一种新型的高阶拓扑态：四维三阶面心态，表现为声场能量可以有效地集中在表面中心，而沿其余各个方向衰减。其拓扑特性可以由四维空间中的卷积数来刻画。类似于多模声纤的设计，通过改变涡旋序构的缠绕方式，有望于实现多个面心态的共存，进一步提高声能收集的效率。在实验上，相应的声场局域特性也被直接证实(如图4)。
 

　　图4.(a)四维三阶面心态结构图。(b)z向投影能带。(c)本征能量谱，黄球标记为高阶面心态。(d)实验测量的体态，芯态和面心态的响应谱。(e)模拟的面心态场分布(f)实验测量的三个z切面的声场分布。

 

　　这个工作的重要意义在于：1)揭示了基于拓扑缺陷结构研究高维拓扑物理的可行性，发展了以第二类自旋陈数刻画的四维声学拓扑物态，具有重要的基础物理研究价值；2)在声学器件研制上，具有自旋动量绑定的芯态传播和高阶局域态的构型为具有高性能拓扑声纤和声能收集器件的研制提供了新方向，为拓扑声学材料迈向实际应用奠定了重要的基础，并可直接拓展到拓扑光纤系统。这一工作是集理论设计—模型优化—材料制备—精密测量几个方面紧密结合的结果。现代工程与应用科学学院博士生赖华山和苟晓慧为第一和第二作者，何程和陈延峰为论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划与国家自然科学基金项目的支持。相关工作以 “Topological Phononic Fiber of Second Spin-Chern Number” 为题于近期在线发表在《物理评论快报》期刊 [Phys. Rev. Lett. 133, 226602 (2024)]。