隨著聲學超材料研究的發展，利用其構造出在天然材料中難以實現的復雜物理現象已經成為聲學研究領域的熱門方向。這些物理現象也可以為設計聲學功能器件提供前景可觀的新思路，拓撲物理便是其中之一。科學家們理論證明了無論是對于電子波還是經典波，拓撲晶體都支持高空間局域性，無耗散、免疫缺陷的邊界態，因此可被用從構造具有魯棒性的聲學空間濾波器，高品質共振腔，分束器等，進而實現聲波的定向輸運、能量俘獲及信息傳遞。

拓撲聲子晶體的設計往往基于在倒空間中分析高對稱點的聲場模式，其設計依賴研究人員的經驗，缺少統一的方案。為解決這一問題，中國科學院聲學研究所噪聲與振動重點實驗室的博士研究生張鵬與導師楊軍研究員、賈晗研究員從實空間拓撲表示理論出發，與武漢大學劉正猷教授、華南理工大學陸久陽副教授合作，首次在聲學體系中基于萬尼爾函數分布構造了支持多維度拓撲界面態的聲子晶體。相關研究成果于在線發表于國際學術期刊Physical Review Applied（IF = 4.931）。

研究人員首先從具有四重旋轉對稱性的正方晶格出發，利用實空間的聲場能量分布和倒空間能帶的高對稱點指標之間的對應關系，僅需在正空間中考慮耦合的共振腔的幾何位置便可設計具有特定拓撲性質的周期單元。進而將這些周期單元組合得到支持多維界面態的聲子晶體。隨后實驗證實了拓撲界面態聲場的局域贗自旋極化屬性，并據此表征了多維度拓撲界面態的輸運性質，測量得到的一維界面態在寬頻范圍內(0.5-1.6 kHz)均可實現，測得的高階拓撲角態則具有良好的空間局域性。

該研究有望應用于聲學功能器件設計及寬帶聲場控制等研究領域。相關研究思路也可被推廣到電磁波、彈性波等其他經典波系統中。

該研究得到了廣東省重點領域研究開發項目(No.2020B010190002)、國家自然科學基金(No.11890701, No.11874383, No.12104480, No.11974005)、中國科學院聲學研究所前沿探索項目(No.QYTS202110)的資助。

圖1 基于萬尼爾構型實現聲學拓撲能帶（圖/中國科學院聲學研究所）

圖2?萬尼爾構型及其誘導的拓撲界面態的實驗和仿真（圖/中國科學院聲學研究所）

圖3 拓撲界面態的聲學表征。(a) 仿真計算及(b) 實驗測量得到的拓撲界面態的聲壓場分布(1.4 kHz)。(c)仿真計算（中圖）與實驗測量（放大圖）得到的聲贗自旋場分布。（圖/中國科學院聲學研究所）

關鍵詞：

聲學超材料 拓撲界面態 萬尼爾構型

參考文獻：

Peng Zhang, et al., Multidimensional Interface Topology Induced by Acoustic Wannier Configurations.?Physical Review Applied?18 064094 (2022) DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.064094.

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.064094