【儀表網 研發快訊】近日，南京大學物理學院聲學研究所劉曉峻教授和程營教授課題組在非厄米高階拓撲聲子晶體研究中取得了重要進展。研究人員在二階拓撲聲子晶體結構中引入非厄米增益和損耗因子，成功觀測到拓撲角態和邊界態的能量增強或衰減，并通過調節非厄米因子實現了對聲局域強度的靈活調控。
 

　　近年來，高階拓撲絕緣體(HOTI)的概念引起了廣泛關注，其不同于傳統拓撲絕緣體，能夠支持更低維度的拓撲態，如一維邊界態或零維角態。而非厄米拓撲材料通過引入增益和損耗元件，帶來了新的獨特物理效應。課題組曾在理論上率先提出，將非厄米性與聲學二階拓撲絕緣體(SOTI)相結合，可實現聲學拓撲角態局域能量的有效調節[Phys. Rev. Lett. 122, 195501 (2019)]。然而，如何在實際聲學結構中引入增益與損耗因子，從而實現對聲學角拓撲態的靈活調控，仍然是一個亟待解決的關鍵問題。
 

　　為此，研究人員首先設計了具有增益和損耗特性的聲學共振結構。如圖1所示，他們使用碳納米管(CNT)膜作為熱聲激勵源，通過控制流經CNT膜的電流來調節腔體結構中的非厄米因子γ，實現了腔體模式在厄米(γ= 0)、等效增益(γ> 0)和等效損耗(γ> 0)之間的切換。基于上述腔體結構，進一步構建了如圖2(a)-(c)所示的聲學SOTI，并研究了其在厄米系統下的能帶結構與拓撲性質。如圖2(d)-(i)所示，研究人員實驗測量了該結構不同模態(包括體態、邊界態和角態)的頻響曲線，并展示了對應模態的聲壓場分布，驗證了對應拓撲態在頻域和空間分布上的特點。
 

　　隨后，研究人員設計了兩種不同非厄米因子分布模式的SOTI：對角分布和平行分布，從而實現了非對稱的聲場局域化特性。通過調節非厄米因子γ，研究人員觀察到不同模態的聲壓分布變化。如圖3所示，在對角分布非厄米因子的條件下，角態的聲局域強度隨著γ的變化而增強或衰減，而體態和邊界態的聲強則相對穩定。引入平行分布非厄米因子的情況如圖4所示，此時，隨著γ的變化，角態和部分邊界態(E1和E3)的聲強出現增強或衰減趨勢，而體態和另一組邊界態(E2和E4)的強度則保持相對穩定。
 

　　該研究提出了一種通過增益和損耗因子實現聲學非厄米SOTI的實驗方案，并成功驗證了非厄米拓撲態獨特的聲場分布特性。這一成果為非厄米與高階拓撲效應的研究及其在聲能量收集、聲信號處理等領域的應用提供了新的思路。相關研究成果于2024年11月6日以《Engineering Higher-Order Topological Confinement via Acoustic Non-Hermitian Textures》為題發表在國際權威期刊Advanced Materials上(Adv. Mater. 2024, 2406567)。南京大學物理學院2022屆博士胡博倫為第一作者，張志旺副教授、程營教授、劉曉峻教授及西班牙馬德里材料研究所Johan Christensen研究員為共同通訊作者。該項研究得到了人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省物理科學硏究中心的支持，并獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金及江蘇省自然科學基金的資助。
 

　　圖 1聲學非厄米共振腔示意圖
 

圖 2厄米系統下的聲學SOTI
 

圖 3引入對角分布非厄米因子的聲學SOTI
 

圖 4引入平行分布非厄米因子的聲學SOTI