近日，南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所劉曉峻教授和程營教授課題組在非厄米高階拓?fù)渎曌泳w研究中取得了重要進(jìn)展。研究人員在二階拓?fù)渎曌泳w結(jié)構(gòu)中引入非厄米增益和損耗因子，成功觀測到拓?fù)浣菓B(tài)和邊界態(tài)的能量增強(qiáng)或衰減，并通過調(diào)節(jié)非厄米因子實現(xiàn)了對聲局域強(qiáng)度的靈活調(diào)控。
近年來，高階拓?fù)浣^緣體(HOTI)的概念引起了廣泛關(guān)注，其不同于傳統(tǒng)拓?fù)浣^緣體，能夠支持更低維度的拓?fù)鋺B(tài)，如一維邊界態(tài)或零維角態(tài)。而非厄米拓?fù)洳牧贤ㄟ^引入增益和損耗元件，帶來了新的獨特物理效應(yīng)。課題組曾在理論上率先提出，將非厄米性與聲學(xué)二階拓?fù)浣^緣體(SOTI)相結(jié)合，可實現(xiàn)聲學(xué)拓?fù)浣菓B(tài)局域能量的有效調(diào)節(jié)[Phys. Rev. Lett. 122, 195501 (2019)]。然而，如何在實際聲學(xué)結(jié)構(gòu)中引入增益與損耗因子，從而實現(xiàn)對聲學(xué)角拓?fù)鋺B(tài)的靈活調(diào)控，仍然是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。
為此，研究人員首先設(shè)計了具有增益和損耗特性的聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)。如圖1所示，他們使用碳納米管(CNT)膜作為熱聲激勵源，通過控制流經(jīng)CNT膜的電流來調(diào)節(jié)腔體結(jié)構(gòu)中的非厄米因子γ，實現(xiàn)了腔體模式在厄米(γ= 0)、等效增益(γ> 0)和等效損耗(γ> 0)之間的切換。基于上述腔體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步構(gòu)建了如圖2(a)-(c)所示的聲學(xué)SOTI，并研究了其在厄米系統(tǒng)下的能帶結(jié)構(gòu)與拓?fù)湫再|(zhì)。如圖2(d)-(i)所示，研究人員實驗測量了該結(jié)構(gòu)不同模態(tài)(包括體態(tài)、邊界態(tài)和角態(tài))的頻響曲線，并展示了對應(yīng)模態(tài)的聲壓場分布，驗證了對應(yīng)拓?fù)鋺B(tài)在頻域和空間分布上的特點。
隨后，研究人員設(shè)計了兩種不同非厄米因子分布模式的SOTI：對角分布和平行分布，從而實現(xiàn)了非對稱的聲場局域化特性。通過調(diào)節(jié)非厄米因子γ，研究人員觀察到不同模態(tài)的聲壓分布變化。如圖3所示，在對角分布非厄米因子的條件下，角態(tài)的聲局域強(qiáng)度隨著γ的變化而增強(qiáng)或衰減，而體態(tài)和邊界態(tài)的聲強(qiáng)則相對穩(wěn)定。引入平行分布非厄米因子的情況如圖4所示，此時，隨著γ的變化，角態(tài)和部分邊界態(tài)(E1和E3)的聲強(qiáng)出現(xiàn)增強(qiáng)或衰減趨勢，而體態(tài)和另一組邊界態(tài)(E2和E4)的強(qiáng)度則保持相對穩(wěn)定。
該研究提出了一種通過增益和損耗因子實現(xiàn)聲學(xué)非厄米SOTI的實驗方案，并成功驗證了非厄米拓?fù)鋺B(tài)獨特的聲場分布特性。這一成果為非厄米與高階拓?fù)湫?yīng)的研究及其在聲能量收集、聲信號處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)研究成果于2024年11月6日以《Engineering Higher-Order Topological Confinement via Acoustic Non-Hermitian Textures》為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Materials上(Adv. Mater. 2024, 2406567)。南京大學(xué)物理學(xué)院2022屆博士胡博倫為第一作者，張志旺副教授、程營教授、劉曉峻教授及西班牙馬德里材料研究所Johan Christensen研究員為共同通訊作者。該項研究得到了人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理科學(xué)硏究中心的支持，并獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金及江蘇省自然科學(xué)基金的資助。
圖 1聲學(xué)非厄米共振腔示意圖
圖 2厄米系統(tǒng)下的聲學(xué)SOTI
圖 3引入對角分布非厄米因子的聲學(xué)SOTI
圖 4引入平行分布非厄米因子的聲學(xué)SOTI
