北理工課題組在彈性表面波拓?fù)漭斶\(yùn)方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-08-03 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
編輯：楊麗靜 審核：龍騰 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)大學(xué)宇航學(xué)院朱睿教授聯(lián)合美國(guó)密蘇里大學(xué)黃國(guó)良教授在彈性表面波拓?fù)漭斶\(yùn)研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”為題，在Science Advances上發(fā)表[Sci adv (2023) 9, eadh4310]。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院朱睿教授和美國(guó)密蘇里大學(xué)黃國(guó)良教授為論文的共同通訊作者。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士研究生胡洲為論文的共同第一作者，完成了論文的樣品制備和實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
拓?fù)漭斶\(yùn)是一種傳輸拓?fù)鋺B(tài)的波動(dòng)現(xiàn)象。它需要刻意設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間變化的函數(shù)，使得波從局域在一側(cè)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)到體態(tài)，再到局域在另一側(cè)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)的傳播。拓?fù)漭斶\(yùn)具有傳播時(shí)不受材料的無(wú)序和缺陷的干擾的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管大量的拓?fù)漭斶\(yùn)系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)，然而由于需要施加時(shí)變的外部物理場(chǎng)或主動(dòng)物理場(chǎng)，動(dòng)態(tài)控制的拓?fù)漭斶\(yùn)在不同物理體系的實(shí)現(xiàn)仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，彈性表面波的調(diào)控在抗震減災(zāi)、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)線通訊，信號(hào)處理等方面具有重要意義，但目前還沒有彈性表面波的拓?fù)漭斶\(yùn)。
時(shí)間和空間作為系統(tǒng)自變量，具有時(shí)空對(duì)偶性。這啟發(fā)我們可以通過(guò)將時(shí)間維度替換空間維度（又稱合成維度），將難以實(shí)現(xiàn)的時(shí)間變化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀讓?shí)現(xiàn)的空間變化系統(tǒng)。在本論文中，研究人員采用這種思想，通過(guò)構(gòu)造空間調(diào)制的合成維度，巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)彈性表面波的拓?fù)漭斶\(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)表面裝飾有彈性柱陣列的彈性體，其核心是通過(guò)空間幾何調(diào)制彈性柱之間的連接高度，使其剛度滿足空間慢速變化，優(yōu)點(diǎn)是將空間幾何調(diào)制作為額外自由度，代替了外部物理場(chǎng)。此外，為了更簡(jiǎn)單但又能抓住物理本質(zhì)地描述該體系，研究人員采用了微分方程的緊束縛模型近似理論，建立了彈性柱和磁場(chǎng)中電子的集體動(dòng)力學(xué)之間的聯(lián)系，發(fā)展了WKB分析方法，解析地預(yù)測(cè)了彈性表面波的拓?fù)漭斶\(yùn)模式。研究人員采用數(shù)控銑加工方式制備了一個(gè)鋁制樣件，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彈性表面波的邊-體-邊的拓?fù)漭斶\(yùn)現(xiàn)象。此外，研究人員通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了該體系對(duì)于無(wú)序和缺陷的免疫性，并且設(shè)計(jì)了一種表面波分波裝置。
上述研究能夠推廣到更高維度的拓?fù)浣橘|(zhì)，為設(shè)計(jì)彈性表面波的拓?fù)漭斶\(yùn)物理系統(tǒng)提供了理論支撐。此外，上述現(xiàn)象可能能夠應(yīng)用到聲表面波器件中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，抗干擾的聲表面波器件，并且應(yīng)用于無(wú)限通訊和信號(hào)處理中。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adh4310
分享到：