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    我国学者在拓扑声学研究中取得重要进展

    日期 2018-08-09   来源:数理科学部   作者:倪培根  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金(项目编号:11774275,11674250,11534013,11747310)等资助下,武汉大学物理科学与技术学院的刘正猷、邱春印研究团队在拓扑声学研究领域取得重要进展。他们利用外尔晶体的拓扑表面态传输特性,实现了无反射的声波负折射效应。相关研究成果以“Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal”(外尔声子晶体中的声表面波拓扑负折射)为题,于2018年8月2日在Nature(《自然》)上发表,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0367-9。邱春印、刘正猷为论文的共同通讯作者,博士生何海龙为第一作者,美国UT Dallas大学为合作研究单位。

      众所周知,光波在不同介质的界面上会发生反射和折射。事实上,对任何形态的波场,例如声波,这些基本的界面效应都会存在,这为设计各种波动元器件奠定了基础。早期的研究集中于均匀介质之间的界面,相对于入射波而言,折射波束出现在界面法线的两侧---正折射。随着人工结构材料的发展,人们发现了另一种折射效应---负折射。顾名思义,负折射发生在界面法线的同侧。这种反常的界面效应有望用于实现光学或声学超分辨成像。然而,这些折射过程总是伴随着界面反射,从而降低器件的功效。

      刘正猷、邱春印研究团队发现了一类全新的界面波动响应---拓扑正折射和拓扑负折射,这是基于声学人工结构的一种新型材料,即“外尔声子晶体”。区别于已知的折射现象,界面造成的反射波可以完全被禁止。进一步研究表明,这种有趣的界面现象和声子晶体的能带拓扑特性有关。不难推测,类似现象也可在光学体系、凝聚态体系中实现,并有望用于设计新型的经典、量子波功能器件。该项工作受到学术同行的广泛关注和正面肯定。例如,新加坡南洋理工大学张柏乐教授在Nature期刊“News and Views”栏目撰文“Negative refraction without reflection”,他认为“这项工作提供了第一个实际使用费米弧(注:这里表现为开放的声波等频色散线)的例证,这是目前凝聚态体系重点探索的目标”。

    图. 由等频色散分析预测的各种界面波动响应。a-d 依次显示正折射、负折射、拓扑正折射、拓扑负折射。上图为等频色散分析,下图为相应的界面响应。利用外尔声子晶体中等频色散线的开放特性,拓扑正、负折射过程中的反射波(虚线箭头)可以完全被抑制。




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