北理工課題組在彈性表面波拓撲輸運方面取得重要進展
發布日期：2023-08-03 供稿：宇航學院 攝影：宇航學院
編輯：楊麗靜 審核：龍騰 閱讀次數：
近日，北京理工大學大學宇航學院朱睿教授聯合美國密蘇里大學黃國良教授在彈性表面波拓撲輸運研究方面取得新進展。相關成果以“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”為題，在Science Advances上發表[Sci adv (2023) 9, eadh4310]。北京理工大學宇航學院朱睿教授和美國密蘇里大學黃國良教授為論文的共同通訊作者。北京理工大學宇航學院博士研究生胡洲為論文的共同第一作者，完成了論文的樣品制備和實驗測試部分。該研究工作得到了國家自然科學基金委的資助。
拓撲輸運是一種傳輸拓撲態的波動現象。它需要刻意設計系統參數隨著時間變化的函數，使得波從局域在一側的拓撲邊界態到體態，再到局域在另一側的拓撲邊界態的傳播。拓撲輸運具有傳播時不受材料的無序和缺陷的干擾的特點，具有廣闊的應用前景。盡管大量的拓撲輸運系統已經通過時間調制系統參數實現，然而由于需要施加時變的外部物理場或主動物理場，動態控制的拓撲輸運在不同物理體系的實現仍是一個巨大的挑戰。另一方面，彈性表面波的調控在抗震減災、無損檢測、無線通訊，信號處理等方面具有重要意義，但目前還沒有彈性表面波的拓撲輸運。
時間和空間作為系統自變量，具有時空對偶性。這啟發我們可以通過將時間維度替換空間維度（又稱合成維度），將難以實現的時間變化系統轉變為容易實現的空間變化系統。在本論文中，研究人員采用這種思想，通過構造空間調制的合成維度，巧妙地設計了一個彈性表面波的拓撲輸運系統。該系統是一個表面裝飾有彈性柱陣列的彈性體，其核心是通過空間幾何調制彈性柱之間的連接高度，使其剛度滿足空間慢速變化，優點是將空間幾何調制作為額外自由度，代替了外部物理場。此外，為了更簡單但又能抓住物理本質地描述該體系，研究人員采用了微分方程的緊束縛模型近似理論，建立了彈性柱和磁場中電子的集體動力學之間的聯系，發展了WKB分析方法，解析地預測了彈性表面波的拓撲輸運模式。研究人員采用數控銑加工方式制備了一個鋁制樣件，并通過實驗驗證了彈性表面波的邊-體-邊的拓撲輸運現象。此外，研究人員通過數值仿真驗證了該體系對于無序和缺陷的免疫性，并且設計了一種表面波分波裝置。
上述研究能夠推廣到更高維度的拓撲介質，為設計彈性表面波的拓撲輸運物理系統提供了理論支撐。此外，上述現象可能能夠應用到聲表面波器件中，實現穩定，抗干擾的聲表面波器件，并且應用于無限通訊和信號處理中。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adh4310
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