研究揭示拓扑声学中的角模式反常现象

拓扑声学研究起源于利用声学人工结构实现凝聚态物理中复杂拓扑物理机制的过程。此后，拓扑声学为实现声场的定向调控提供了前景可观的新思路。然而，已有研究多基于凝聚态物理中贝里曲率的概念分析体系的拓扑性质，但该方法已不再适用于具有各种复杂晶体对称性的声学拓扑结构。此外，声波作为经典波缺少限制拓扑态频率的对称性，导致大量的声学拓扑态湮灭在体连续谱中，从而无法被实验观测和调控利用。 　　

为此，中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室博士研究生张鹏与导师/研究员杨军以及研究员贾晗，联合武汉大学教授刘正猷、华南理工大学副教授陆久阳，首次在声子晶体中构造了声学万尼尔构型，并观测到分数化的声学谱电荷分布，从而为判断声学人工晶体的拓扑性质提供了一种内禀的判据。相关研究成果在线发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。 　　

该研究在构建的声子晶体中测得了表现为分数化谱电荷的拓扑角模式反常。这种模式反常可作为一种易于观测的实空间拓扑指标对湮灭在体态中的拓扑角模式进行先验判别。在此基础上，通过将不同的万尼尔构型按照多种方式进行组合，研究将原本湮没在体连续谱中的角模式调制至带隙中。在组合后的声子晶体中，平庸相和非平庸相结构均可以作为包覆层，为在带隙中构造和调控拓扑角模式提供了新思路。 　　

这种模型有望应用于设计高品质因子的声学谐振腔、声学俘能器等功能器件。相关研究思路可被推广到弹性波、声表面波等其他经典波系统中。 　　

研究工作得到广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和声学所前沿探索项目的支持。

图1.在声子晶体中实现处于不同拓扑相的万尼尔构型

图2.不同的万尼尔构型组合诱导得到的拓扑角模式