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2021-09-30 作者:物理學院 來源:科學技術處

重大突破!南大物理見刊Nature:劉曉峻、程營課題組首次實現非厄米拓撲耳語迴廊

南京大學物理學院劉曉峻教授和程營教授課題組首次基於碳納米管(CNT)薄膜的熱聲效應提出了一種構建等效聲學增益介質的新機制,並實現了受拓撲保護的新型非厄米耳語迴廊,獲得了對不同手性聲波迴廊模式的精準調控和定向分離。

耳語迴廊(Whispering Gallery)是1878年Rayleigh爵士在研究倫敦聖保羅大教堂時首次發現的經典聲學現象,他發現人在拱廊一側輕聲説話時,聲音經由教堂的穹頂,會清晰地傳播到另一側的牆壁,這也是該名稱的由來。“耳語迴廊”的物理原理可被用於捕獲微弱的聲信號,為微弱聲信息的傳輸和探測創造了條件。另一方面,近年來,在凝聚態物理到人工光子/聲子晶體等眾多領域中,各種拓撲絕緣體所形成的拓撲邊界態受到廣泛關注。由於這些拓撲邊界態受到拓撲保護而對結構缺陷具有一定的魯棒性,使得基於拓撲系統的耳語迴廊在保密通訊、傳感技術等領域中具有巨大的應用前景。目前拓撲系統研究的理論框架主要建立於厄米體系,對非厄米體系拓撲物理的研究正處於探索階段。一個很自然的問題是:有沒有可能在非厄米拓撲物理中發現更加新奇獨特的耳語迴廊現象呢?

從物理上講,聲增益介質的缺失從根本上限制了非厄米聲拓撲結構的實現。國際上已有的一維非厄米聲學系統均基於傳統揚聲器模擬構建,這種架構難以支持高維拓撲結構的聲場調控。構建更加有效的等效聲增益介質,對非厄米拓撲聲學的研究是一項重大挑戰。研究團隊基於CNT薄膜的熱聲效應提出了一種構建等效聲學增益介質的新機制,實驗實現了受拓撲保護的非厄米耳語迴廊結構,並通過調節實驗參量將初基原胞內各單元相位鎖定以調控系統的非厄米性,進而選擇性地激發出具有不同旋轉手性的迴廊共振模式,最終將增強放大後的聲波耦合輸出為高指向性聲束。

研究團隊首先研究了具有理想增益介質層的聲子晶體中的拓撲性質。如圖1所示,在初基原胞結構中引入有限增益後,色散曲線的實部基本保持不變,虛部則與增益因子近似成線性相關。進一步,當增益介質被引入到拓撲邊界態時,可以觀察到沿界面傳播的聲音被逐漸放大、增強的現象。接下來,如何構建出可行的聲學非厄米實驗平台是亟需解決的問題。基於這一問題,如圖2a所示,研究團隊將CNT薄膜覆蓋於3D打印的耐高温圓柱表面,並利用電激勵下的熱聲效應準確構造出理論方案中二維結構的等效聲學增益介質層,再將這些設計好的非厄米聲學元件通過PCB板組裝成圖2b所示的非厄米拓撲聲子晶體實驗系統。相比於實際凝聚態系統,這種非厄米人工聲子晶體系統具有可調控性強的優點,可以通過調節實驗參量將初基原胞內各單元相位鎖定,從而有效地實現系統的非厄米相位控制(圖2c-f),為構建突破現有凝聚態物理基本現象的新聲場調控效應提供了基礎。

在本工作中,研究團隊構建了受拓撲保護的耳語迴廊結構(圖3a-b),發現當初基原胞內相位延遲鎖定為0時,系統僅產生無旋迴廊共振模式;而當相位延遲鎖定為2π時,系統轉而產生分離的順時針、逆時針兩種迴廊共振模式(圖3c-i)。基於上述迴廊模式劈裂現象,研究團隊進一步引入兩個耦合輸出端口實現了類似“拓撲激光”的“拓撲激聲”,當相位延遲鎖定為2π時,觀測到順時針和逆時針旋轉模式分別在兩個端口耦合輸出為顯著增強、放大的高指向性定向輻射聲束(圖4)。

北京時間2021年9月29日,相關研究成果以“非厄米拓撲耳語迴廊(Non-Hermitian topological whispering gallery)”為題,在線發表在《自然》(Nature,DOI:10.1038/s41586-021-03833-4)上。南京大學為第一作者單位和第一通訊單位,物理學院博士生胡博倫為第一作者,張志旺博士後、程營教授、劉曉峻教授及西班牙馬德里卡洛斯三世大學Johan Christensen教授為共同通訊作者。

該工作將非厄米物理學和類拓撲絕緣體這兩個當前重要的前沿領域相結合,開闢了等效聲學增益介質的新途徑,為基於經典聲波體系研究非厄米拓撲物理中的新奇現象提供了新方向,相關技術方案也可推廣到MEMS聲表面波體系,有望推動非厄米拓撲聲學的發展和應用,在聲學和材料科學領域產生實質性的影響。該項工作得到國家重大科學研究計劃(2017YFA0303702)、國家自然科學基金優青項目、重點項目和中央高校基本科研業務費原創交叉項目、國家博新計劃、中國博士後基金項目的支持。

 

圖1. 具有增益的聲拓撲絕緣體的復能帶圖

 

圖2. 實驗樣品組裝和非厄米相位控制

圖3. 拓撲耳語迴廊共振模式劈裂

圖4.拓撲耳語迴廊模式的耦合輸出