基于复合蜂窝结构的宽带周期与非周期声拓扑绝缘体*

裴东亮 杨洮 陈猛† 刘宇 徐文帅 张满弓 姜恒‡ 王育人

1) (中国科学院力学研究所微重力重点实验室,北京 100190)

2) (中国科学院大学,北京 100049)

3) (武汉第二船舶设计研究院,武汉 430064)

具有良好可重构性、良好缺陷兼容性及紧凑型的声学拓扑结构可能成为声学发展中一个有前景的方向.本文设计了一种可调谐、应用于空气声的二维宽带复合蜂窝形晶格结构,其元胞拥有两个变量:一个是中心圆的缩放参数s,另一个是“花瓣”图案围绕其质心的旋转角度θ.研究发现当s为1.2,θ为±33°时,在结构的布里渊区中心点出现四重简并态.在±33°两侧,能带会发生反转,体系经历拓扑相变;同时,结构的相对带隙宽带逐渐增加,其中θ为0°和60°时,相对带宽分别为0.39和0.33.本研究还计算了由这两种转角的声子晶体组成的拼合结构的投影能带,发现在其体带隙中存在着边界态并验证了此拓扑边界的缺陷免疫特性.最后通过变化s,构建了一种非周期性双狄拉克锥型的声拓扑绝缘体并验证了其缺陷免疫性.本研究的体系相对带宽显著超过已知体系,将为利用声拓扑边界的声波器件微型化打下良好的基础.

1 引 言

量子霍尔效应[1-4]与量子自旋霍尔效应[5-8]的发现引起了凝聚态物理研究的新高潮,同时也将数学中的“拓扑”概念引入到物理研究当中.2016年的诺贝尔物理学奖被授予“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”方向[9,10],显示出拓扑这一概念在当今物理学中的重要性.具有拓扑性质的材料有很多……