【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的陳延峰研究團隊，在理論上提出并制備了四維流形中受第二類自旋陳數(shù)保護的拓撲聲學(xué)物態(tài)，觀測到了一對具有自旋-動量鎖定的單向傳輸纖芯態(tài)。區(qū)別于傳統(tǒng)波導(dǎo)，該拓撲聲纖具有手性依賴、魯棒、抗干擾、無反射等突出優(yōu)勢。該工作展示了人工微結(jié)構(gòu)材料體系在構(gòu)建高維空間、調(diào)控聲波傳輸與局域的能力，將傳統(tǒng)邊界傳輸拓展成體傳輸是拓撲聲學(xué)材料與器件邁向現(xiàn)實應(yīng)用過程中重要的一步。
 

圖1.從二維到四維聲學(xué)拓撲態(tài)示意圖。
 

　　拓撲材料因其獨特的體對稱性保護及抗干擾的邊界傳輸特性而廣受關(guān)注。十余年來，通過對人工微結(jié)構(gòu)光/聲學(xué)功能基元與全局拓撲序構(gòu)之間的調(diào)控，一系列新穎的光/聲拓撲物態(tài)相繼被發(fā)現(xiàn)，使得人們對光/聲場的調(diào)控能力達到了新的高度。其中，拓撲光/聲纖是一類能實現(xiàn)高效且無背向散射傳導(dǎo)波的器件構(gòu)型，自拓撲光/聲學(xué)誕生之初就一直是最受期待的重要應(yīng)用之一。然而，受限于拓撲物理的體-邊對應(yīng)原理，體塊介質(zhì)的拓撲特性通常體現(xiàn)在低維的邊界上，如二維塊材的一維邊界和三維塊材的二維表面，它們對體的利用率低且無法形成三維波導(dǎo)形狀，難以實際應(yīng)用。
 

　　為了解決這一問題，研究團隊在前期率先實現(xiàn)二維和三維聲學(xué)拓撲絕緣體的基礎(chǔ)上 [Nat. Phys. 12, 1124 (2016) & Nat. Commun. 11, 2318 (2020)]，進一步通過引入合成維度，從高維視角出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了具有芯層導(dǎo)通、包裹層絕緣的拓撲聲纖結(jié)構(gòu)，為拓撲聲學(xué)材料與聲傳輸器件邁向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)(圖1)。
 

　　團隊設(shè)計了一種可旋轉(zhuǎn)調(diào)諧的雙層手性人工自旋聲學(xué)功能基元，形成三維拓撲聲子晶體，并結(jié)合一維渦旋調(diào)制參數(shù)(狄拉克質(zhì)量項)作為合成維度，構(gòu)建了一個具有四維合成空間(3個動量參數(shù)和1個調(diào)制參數(shù))的纖芯結(jié)構(gòu)。在其帶隙中，研究人員實現(xiàn)了一對沿渦旋纖芯傳輸?shù)男滦吐曂負淠Ｊ剑渫負涮匦杂伤木S流形中的第二類自旋陳數(shù)刻畫(圖2)。
 

　　圖2.(a)聲學(xué)功能基元(θ是調(diào)制參數(shù))。(b)θ=0時的三維體能帶。(c)不同θ下三維體能帶投影。(d)四維合成空間示意圖。(e)拓撲聲纖結(jié)構(gòu)。

 

　　在實驗上，團隊通過3D打印技術(shù)制備樣品，并對系統(tǒng)的聲學(xué)傳輸性能和色散關(guān)系進行了直接測量和表征。實驗結(jié)果和理論計算吻合的很好，表明這確實是一種可以支持聲波沿渦旋線中心傳播的聲纖結(jié)構(gòu)。通過不同手性聲源的選擇性激發(fā)，具有不同相位渦旋的聲學(xué)信號可以沿著相反方向單向傳播，展示了聲人工自旋-動量鎖定的特征(圖3)。多種缺陷下聲波傳輸?shù)姆€(wěn)定性也得到了實驗驗證。此外，通過改變渦旋序構(gòu)的纏繞方式，可以設(shè)計出任意數(shù)量的具有特定角動量的聲纖模式，這進一步拓寬了聲纖應(yīng)用場景和多模聲纖的開發(fā)。
 

　　圖3.(a)拓撲聲纖樣品照片。(b)投影能帶與自旋聲芯態(tài)。(c)自旋-動量鎖定單向傳輸。(d)實驗測量的芯態(tài)和體透射譜。(e)實驗測量的自旋芯態(tài)色散。

 

　　在此基礎(chǔ)上，進一步應(yīng)用拓撲層級性，通過降低體系對稱性以破缺自旋芯態(tài)的簡并，研究人員實現(xiàn)了一種新型的高階拓撲態(tài)：四維三階面心態(tài)，表現(xiàn)為聲場能量可以有效地集中在表面中心，而沿其余各個方向衰減。其拓撲特性可以由四維空間中的卷積數(shù)來刻畫。類似于多模聲纖的設(shè)計，通過改變渦旋序構(gòu)的纏繞方式，有望于實現(xiàn)多個面心態(tài)的共存，進一步提高聲能收集的效率。在實驗上，相應(yīng)的聲場局域特性也被直接證實(如圖4)。
 

　　圖4.(a)四維三階面心態(tài)結(jié)構(gòu)圖。(b)z向投影能帶。(c)本征能量譜，黃球標(biāo)記為高階面心態(tài)。(d)實驗測量的體態(tài)，芯態(tài)和面心態(tài)的響應(yīng)譜。(e)模擬的面心態(tài)場分布(f)實驗測量的三個z切面的聲場分布。

 

　　這個工作的重要意義在于：1)揭示了基于拓撲缺陷結(jié)構(gòu)研究高維拓撲物理的可行性，發(fā)展了以第二類自旋陳數(shù)刻畫的四維聲學(xué)拓撲物態(tài)，具有重要的基礎(chǔ)物理研究價值；2)在聲學(xué)器件研制上，具有自旋動量綁定的芯態(tài)傳播和高階局域態(tài)的構(gòu)型為具有高性能拓撲聲纖和聲能收集器件的研制提供了新方向，為拓撲聲學(xué)材料邁向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了重要的基礎(chǔ)，并可直接拓展到拓撲光纖系統(tǒng)。這一工作是集理論設(shè)計—模型優(yōu)化—材料制備—精密測量幾個方面緊密結(jié)合的結(jié)果。現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生賴華山和茍曉慧為第一和第二作者，何程和陳延峰為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃與國家自然科學(xué)基金項目的支持。相關(guān)工作以 “Topological Phononic Fiber of Second Spin-Chern Number” 為題于近期在線發(fā)表在《物理評論快報》期刊 [Phys. Rev. Lett. 133, 226602 (2024)]。