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(fā)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(shù)：
近日,，北京理工大學大學宇航學院朱睿教授聯(lián)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(guān)成果以“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”為題，在Science Advances上發(fā)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(tài)的波動現(xiàn)象。它需要刻意設計系統(tǒng)參數(shù)隨著時間變化的函數(shù),，使得波從局域在一側(cè)的拓撲邊界態(tài)到體態(tài),，再到局域在另一側(cè)的拓撲邊界態(tài)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(tǒng)已經(jīng)通過時間調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)，然而由于需要施加時變的外部物理場或主動物理場,，動態(tài)控制的拓撲輸運在不同物理體系的實現(xiàn)仍是一個巨大的挑戰(zhàn),。另一方面，彈性表面波的調(diào)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(tǒng)自變量,，具有時空對偶性。這啟發(fā)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(xiàn)的時間變化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀讓崿F(xiàn)的空間變化系統(tǒng),。在本論文中，研究人員采用這種思想,，通過構(gòu)造空間調(diào)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(diào)制彈性柱之間的連接高度,，使其剛度滿足空間慢速變化，優(yōu)點是將空間幾何調(diào)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(zhì)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(lián)系，發(fā)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(shù)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(xiàn)象,。此外,，研究人員通過數(shù)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(zhì),，為設計彈性表面波的拓撲輸運物理系統(tǒng)提供了理論支撐。此外,，上述現(xiàn)象可能能夠應用到聲表面波器件中,，實現(xiàn)穩(wěn)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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