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(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
編輯：楊麗靜 審核：龍騰 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)大學(xué)宇航學(xué)院朱睿教授聯(lián)合美國密蘇里大學(xué)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(xué)宇航學(xué)院朱睿教授和美國密蘇里大學(xué)黃國良教授為論文的共同通訊作者,。北京理工大學(xué)宇航學(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)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(zāi)、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(shè)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(xué)之間的聯(lián)系，發(fā)展了WKB分析方法,，解析地預(yù)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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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