【科研动态】我院研究团队首次发现超材料中拓扑保护的狄拉克型表面态

发布时间:2022-07-07

近日,我院首席教授李新平团队孟飞博士与苏州大学、斯文本科技大学等院校合作,在超材料领域取得了新进展。该项工作于2022626日以“Observation of Emergent Dirac Physics at the Surfaces of Acoustic Higher-Order Topological Insulators”为题在线发表于《Advanced Science》(影响因子17.5,中科院Top期刊)。

超材料是具有周期性结构的特殊材料,可以对弹性波、声波、电磁波等产生特殊的调制效应,目前在光学、声学、土木工程隔振降噪等研究领域得到了广泛关注。在本工作中,研究人员构建了一种特别的声学高阶拓扑绝缘体,首次发现了表面能带中出现的偶然简并狄拉克点,实现了拓扑表面波的双零折射率效应。

研究人员首先基于智能结构优化设计的结果提出了两种声子晶体结构,由这两种声子晶体结构形成的超胞表面上出现了三条边界态(图1)。当通过调节声子晶体的几何尺寸,使三条表面态偶然简并时,表面态的Dirac mass变为0,同时色散曲线变为锥形。由等效介质理论计算可知,对于简并点处(14.0kHz)的声波,其等效密度与等效压缩模量均为0。因此,这一高阶拓扑绝缘体的界面变为一种双零折射率的声学超材料。由于简并点频率恰好位于声子晶体的体带隙中,这一现象可以直接探测到。如图2中的实验所示,14.0kHz的声波从高阶拓扑绝缘体一侧的点声源传入,当其在另一侧传出时,边界处声波的强度与相位完全相同。

1非寻常(SC1)寻常(SC2)两种声子晶体及相应的拓扑表面态

2拓扑表面波的双零折射率现象

这一发现揭示了高阶拓扑绝缘体中新奇的狄拉克点现象,开辟了实现低维拓扑态的新途径,为实现新型超材料与高性能传感器等实用元器件提供了思路。

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