物理学院声学所程建春教授课题组在Physical Review Letters发表声学陈绝缘体的最新实验工作

我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声拓扑绝缘体方面取得重要突破,首次在实验上实现了声陈绝缘体(Acoustic Chern Insulator)并观察到了单向边界态。最新研究成果以“Experimental Realization of Acoustic Chern Insulators” 为题发表在2019年1月9日的Physical Review Letters上 [Physical Review Letters, 122, 014302 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.014302]。该文章被遴选为Editors’ Suggestion,美国物理学会也以题为“One-Way Sound Transport”的简介(Synopsis)形式对该工作进行了专文报道。

量子系统中,对称性的破缺带来了很多新奇的物理现象,量子霍尔效应被发现后,拓扑序进一步成为对相变的分类依据,通常使用陈数来表征。与之相类比的声学拓扑绝缘体的相关理论和实验工作近年来成为了备受关注的研究热点,拓扑绝缘体中的边界态更是为声学体系中很多受背向散射困扰的问题提供了全新的解决方案。另一方面,研究声子的拓扑态及其类量子效应也可以为调控量子拓扑态提供精确可控的平台和新原理。相比于电子系统受磁场的作用机制,线性时不变声学系统具有波色子特性,满足时间反演对称性,缺乏可类比于磁场的作用机制。尽管理论上可以证明声学体系中的时间反演对称性破缺能够通过高速旋转的环形气流引入,但基于该机制构建声陈绝缘体时将存在多环流的复杂动态同步调制、高速环流的不稳定性及环流本身产生噪声等难题,导致声陈绝缘体迄今仍无法在实验上实现。

 

图一、(a-b)声学陈绝缘体和“晶胞”示意图;(c-e)“晶胞”样品内部结构和实验系统搭建。

 

图二、(a)声陈绝缘体实验测量现场图;(b-c)四个测量点处的声压随频率变化情况;(d、f)逆时针和顺时针的单向边界态实验测量图;(e)体态的实验测量图。(g-h)当一个单元停止转动(S)或者反向转动(R)时,逆时针单向边界态的实验测量图;(i)当一个单元停止转动(S)时,顺时针单向边界态的实验测量图。

为了在实验上实现真正的声学单向边界态,程建春课题组提出了利用高品质谐振显著降低转速,增强非互易效应的新物理机制,仅使用简单的旋转人工结构来精确引入稳定且均匀的流场,避免了现有方法中难于克服的问题。基于此,首次在实验上实现了声陈绝缘体,并观察到了受拓扑保护的声学单向边界态。此类边界态能够有效抑制背向散射,并对缺陷有着极强的免疫性,其单向特性对输入声波模态无要求,在实验上产生了声学类量子霍尔效应。图一展示了晶胞内的单元具体结构和样品图,图二为声陈绝缘体的实验测量结果,其中(d、f)展示了逆时针和顺时针的单向边界态的传播,(g-i)中可看出缺陷的出现对单向边界态的传播几乎没有影响。

该工作在声陈绝缘体实验研究方面迈出了关键的第一步,并显著拓展了声学拓扑器件的应用前景,单向边界态有望在医学超声、声隐身以及噪声控制等领域中产生重要应用。

南京大学博士生丁玉江、朱一凡和华中科技大学博士生彭玉桂为该文章的共同第一作者,南京大学梁彬教授、程建春教授和华中科技大学祝雪丰教授为共同通讯作者。南京大学万贤纲教授提供了理论指导。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划(B类)和华中科技大学鸟巢计划等项目支持。

全文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.014302

Synopsis链接:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.122.014302 

(物理学院 科学技术处)