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1878年，瑞利勛爵觀察到一種非常著名的現(xiàn)象——聲波在倫敦圣保羅大教堂彎曲的走廊上蔓延。這些波在一個封閉的環(huán)境中有效地散射，幾乎沒有衍射，并在超聲疲勞和裂紋測試中發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用，以及在使用二氧化硅微尺度環(huán)面對納米顆?；蚍肿拥墓鈱W傳感中。

最近，研究的重點集中在探索具有聰明的增益和損失匹配，促進單向不可見和特殊點的奇異特性的非厄米特系統(tǒng)。同樣地，物理學中使用非平凡對稱保護相位的拓撲絕緣體的浪潮，已經(jīng)為重塑高度非常規(guī)的道路奠定了基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)聲音和光的穩(wěn)健和無反射引導(dǎo)和轉(zhuǎn)向。

在此，來自南京大學的Zhiwang Zhang &程營&劉曉峻和西班牙馬德里卡洛斯III世大學的Johan Christensen等研究者報道了，使用由碳納米管薄膜裝飾的熱塑性棒制成的聲速晶體構(gòu)建了拓撲廊道絕緣體，它通過電熱聲耦合作為聲速增益介質(zhì)。相關(guān)論文以題為“Non-Hermitian topological whispering gallery”于2021年09月29日發(fā)表在Nature上。

在非厄米特環(huán)境下理解拓撲相已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、冷原子物理、經(jīng)典光學和聲學等許多研究領(lǐng)域的一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。具體地說，努力的動機是尋求擴展在非厄米特設(shè)置中沒有厄米特對應(yīng)的排他拓撲相。

其中最受歡迎的例子是非厄米特皮膚效應(yīng)，非常規(guī)非布洛赫體邊界對應(yīng)和拓撲激光器。拓撲激光器在應(yīng)用方面是一個很有吸引力的領(lǐng)域，當與光學活性介質(zhì)結(jié)合時，拓撲抗邊緣狀態(tài)(對缺陷和制造缺陷具有強大的抵抗力)將被設(shè)置為激光。激光器從根本上是非厄米的，但由于在有源Su Schrieffer Heeger陣列、耦合環(huán)形諧振器、激子極化絕緣子和拓撲光子晶體中添加了拓撲成分，最近獲得了前所未有的好處。

在增益介質(zhì)中為聲波創(chuàng)造非厄米性是非常具有挑戰(zhàn)性的，更不用說等效激光了；然而，使用適當增益電路或壓電半導(dǎo)體的聲電效應(yīng)的揚聲器可以完成這項工作。然而，一個更靈活和可調(diào)諧的方法是采用熱聲學，其中波動焦耳加熱轉(zhuǎn)換成聲音，例如，當交流電應(yīng)用于導(dǎo)體。這種電-熱-聲耦合，在碳納米管(CNT)薄膜中已被證明是非常有效的，因為它們的熱電容和熱慣性較低，允許產(chǎn)生寬帶和高壓聲波

在此，研究者使用由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)棒制成的三角形聲波晶體構(gòu)建了一個回音廊道(WG)絕緣體，該晶體能夠沿著其界面維持拓撲谷邊緣狀態(tài)，并由底層晶格對稱保護。谷自由度最初用于凝聚態(tài)物理，但后來在人工晶格中得到了應(yīng)用，在人工晶格中，谷間距散射的抑制，使得光或聲的強大而緊湊的引導(dǎo)得以實現(xiàn)。

為了使聲谷邊緣狀態(tài)變?yōu)椤凹す狻睜顟B(tài)，需要通過聲增益介質(zhì)實現(xiàn)拓撲晶格，這是研究者通過在絕緣體棒周圍粘貼碳納米管薄膜實現(xiàn)的。實驗測量揭示了WG模式手性是如何被打破的——也就是說，研究者通過適當?shù)卣{(diào)整電強加的非厄米性，在順時針(CW)和逆時針(CCW)共振中分裂對稱。這些拓撲WG模式，不僅通過其復(fù)雜的邊緣狀態(tài)圍繞封閉的聲絕緣體旋轉(zhuǎn)，而且還演示了在可聽頻率下對放大和聚焦聲發(fā)射進行耦合的能力。預(yù)計，將來這些發(fā)現(xiàn)，將促進無損檢測和聲學傳感的發(fā)展。

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圖1 具有聲增益的聲拓撲絕緣體的復(fù)帶圖

圖2 裝配與非厄米特相工程

圖3 拓撲WG模式分裂

圖4 放大拓撲WG模式路由

綜上所述，研究者利用碳納米管薄膜的電-熱-聲耦合，作為聲谷-霍爾晶格的增益介質(zhì)，建立了非厄米拓撲邊緣態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究者設(shè)計了一種低語通道諧振器，其傳統(tǒng)的簡并諧振是模分裂的，并通過印在增益元件上的相位來控制。在拓撲穩(wěn)健的環(huán)境中，聲音的放大轉(zhuǎn)向和引導(dǎo)可以改善聲通信系統(tǒng)。當縮放到微米和納米尺度時，寬帶蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的機電濾波有潛力利用非厄米千兆赫拓撲。此外，將聲波晶格與碳納米管薄膜相結(jié)合，可有助于工程主動控制。

該工作建立了晶體層狀材料的層間旋轉(zhuǎn)，可作為固體系統(tǒng)中工程定向熱傳輸?shù)囊粋€新自由度。

據(jù)了解，這已是南京大學本月的第2篇Nature正刊了，更讓人驚訝的是，這兩篇同時出自南大物理學院，不愧是國內(nèi)實力前幾的學院，實力之強，實至名歸！

文獻信息

Hu, B., Zhang, Z., Zhang, H. et al. Non-Hermitian topological whispering gallery. Nature 597, 655–659 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03833-4

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03833-4#citeas

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