基于声子晶体板的弹性波拓扑保护边界态

基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性,受到广泛关注.本文设计了一种声子晶体板结构,通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺,从而构造四重简并态.与现有利用能带"区域折叠"进行构造的方法相比,该方法简化了声子晶体的元胞构型.元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度θ,研究发现,旋转角度θ=0°时,元胞能带结构存在两个二重简并态,调整旋转角度到±33°时,布里渊区中心G点处出现四重简并态,并发现旋转角度越过±33°时均会发生能带反转,这表明调整晶体结构参数θ使得体系经历拓扑相变.利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞,并通过计算其投影能带,发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态.在此基础上,构造多种不同类型的弹性声子晶体板,验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性.本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点,为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.     

基于SSH模型拓扑边界态和角态的实现

拓扑光子学的研究在光学通信领域具有重要的研究意义。为了实现拓扑边界态和角态,基于Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型,构建了二维正方形光子晶体结构,通过有限元软件仿真计算了该结构的能带,分析了对应的模式和拓扑相位。在此基础上实现了具有拓扑保护性质的边界态和角态,产生了相对带隙宽度为35%的较宽带隙,并通过频域仿真,验证了拓扑边界态具有单向传输特性和抗干扰的能力,拓扑角态能够把光波约束在角点的位置。结果表明：基于SSH模型设计的光子晶体结构能够实现高性能的拓扑边界态和角态,具有设计简单,容易实现的特点。     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用

光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开,其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换.本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响,它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响.结果表明:反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换,这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性.根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系,可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.     

探究弦球链系统的拓扑不变量

周期性弦球链体系作为典型的声子晶体体系,其能带结构已得到了广泛而深入的研究.在实际观测体系能谱的过程中,会探测到一类特殊的能量本征态——边缘态(能量处在带隙间,且波函数局域在体系边缘的态),同时观察到其存在具有一定的鲁棒性.由于实验上观测到的弦球链边缘态的性质与电子体系中拓扑绝缘体的边缘态性质的相似性,可以利用同一套能带拓扑的语言研究弦球链体系.本文通过数值计算能带的拓扑不变量,揭示了弦球链体系非平庸的拓扑性质,从而证明了实验上探测到的边缘态是拓扑保护的边缘态.基于数值计算的结果,讨论了体系的拓扑相变与边缘态的输运性质     

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

三组元声子晶体中的缺陷态

运用基于平面波的超元胞方法，研究作为缺陷引入的第三组元材料(四氯化碳、水)对二维二组元声子晶体(水/水银，四氯化碳/水银)带结构的影响.结果表明，二组元声子晶体在引入第三组元点缺陷/线缺陷后，在原来的带结构中会出现缺陷态/带，原带隙的位置、宽度变化不大；缺陷态/带频率主要受第三组元材料物性参数的影响；这些缺陷态都是局域化的.因此，在具有宽带隙的二组元体系中引入适当的第三组元点缺陷/线缺陷，让缺陷态/带频率落在二组元体系的带隙中，就可以形成特殊的滤声态/波导态.声子晶体的这一特性对于声波/弹性波的传播和新的声学应用具有重要意义. 关键词： 声子晶体 三组元 点缺陷 线缺陷     

声子晶体板中的第二类狄拉克点和边缘传输

在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板.不同于第一类狄拉克点,第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜,以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状.微调结构的几何参数破缺该镜面对称性,可打开第二类狄拉克点简并,实现体系的能带反转.能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相,不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态.不仅如此,由于弹性板波界面态的特殊应力分布,单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输.本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中,在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输.由于结构设计简单,可在微小尺寸下加工获得,为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径.     

人工带隙材料的拓扑性质

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.     

空间盘绕型声学超材料的亚波长拓扑谷自旋态

声子晶体的Dirac线性色散关系,使其具有奇特的声拓扑特性,在声波控制领域具有良好的应用前景.目前,声子晶体的拓扑边缘态主要基于Bragg散射所产生的能带结构,难以实现低频声波的受拓扑保护单向边缘传输.本文引入空间盘绕结构,设计了具有C_(3v)对称性的空间盘绕型声学超材料,并研究其布里渊区高对称点(K/K'点)的亚波长Dirac锥形线性色散.接着,通过旋转打破空间盘绕型声学超材料的镜像对称性,使其Dirac简并锥裂开而产生亚波长拓扑相变和亚波长拓扑谷自旋态.最后,采用拓扑相位互逆的声学超材料构造拓扑界面,实现声拓扑谷自旋传输.空间盘绕型声学超材料的亚波长Dirac线性色散与亚波长拓扑谷自旋态突破了声子拓扑绝缘体的几何尺寸限制,为声拓扑稳健传输在低频段的应用提供理论基础.     

基于手性声子晶体的谷拓扑声输运

研究手性风车形散射体构建的谷拓扑声波导。具有右手与左手手性风车形散射体的声子晶体具有截然不同的声谷拓扑特性。当两种手性风车形散射体从-60°旋转到60°时,其所构建的声子晶体均出现2次偶然简并的狄拉克点与谷霍尔相变。基于两种具有相反谷霍尔相的手性声子晶体构建的谷拓扑声波导,在其重叠体带隙内存在一对局域在波导分界面处的谷态边缘态。实验研究表明,该边缘态可以很好的支持谷拓扑声输运,且对弯曲与无序两种缺陷具有一定的鲁棒性.      

一维颗粒声子晶体的拓扑相变及可调界面态

基于Su-Schrieffer-Heeger模型,构造了一种一维非线性声子晶体,通过调控外加在声子晶体上的预紧力,可调控声子晶体的拓扑态,从而实现拓扑相变.利用这一效应,把该非线性声子晶体与另一线性声子晶体形成异质结构,可以实现一种新型声学开关:通过调节预紧力即调控非线性声子晶体的拓扑相,可以实现异质结构中界面态从无到有的转变,从而实现了开关效应.利用该效应可望开发新型声学器件,如可调谐振器、可调滤波器、可调隔振器等.     

Studies on the electronic structures of three-dimensional topological insulators by angle resolved photoemission spectroscopy

Three-dimensional (3D) topological insulators represent a new state of quantum matter with a bulk gap and odd number of relativistic Dirac fermions on the surface. The unusual surface states of topological insulators rise from the nontrivial topology of their electronic structures as a result of strong spin-orbital coupling. In this review, we will briefly introduce the concept of topological insulators and the experimental method that can directly probe their unique electronic structure: angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). A few examples are then presented to demonstrate the unique band structures of different families of topological insulators and the unusual properties of the topological surface states. Finally, we will briefly discuss the future development of topological quantum materials.     

弹性波通过一维复合材料系统的透射性质

提出了不同结构的一维弹性波复合材料系统模型,包括一维周期结构声子晶体、标准Fibonacci准周期结构声子晶体、广义Fibonacci准周期结构声子晶体以及完全无序结构的复合材料系统. 采用模式匹配理论法,数值计算了弹性波通过一维复合材料系统的透射系数. 计算结果表明,利用特殊的准周期结构声子晶体可获得比周期结构声子晶体更宽的带隙范围,准周期结构排列的复合材料系统相当于在周期结构中引入了缺陷体一样,带隙内出现了丰富的局域模式. 对弹性波/声波在复合材料系统中局域态性质的研究有助于弹性波/声波滤波器、导波器 关键词： 弹性波复合材料 局域化     

Intrinsic magnetic topological materials

Topological states of matter possess bulk electronic structures categorized by topological invariants and edge/surface states due to the bulk-boundary correspondence. Topological materials hold great potential in the development of dissipationless spintronics, information storage and quantum computation, particularly if combined with magnetic order intrinsically or extrinsically. Here, we review the recent progress in the exploration of intrinsic magnetic topological materials, including but not limited to magnetic topological insulators, magnetic topological metals, and magnetic Weyl semimetals. We pay special attention to their characteristic band features such as the gap of topological surface state, gapped Dirac cone induced by magnetization (either bulk or surface), Weyl nodal point/line and Fermi arc, as well as the exotic transport responses resulting from such band features. We conclude with a brief envision for experimental explorations of new physics or effects by incorporating other orders in intrinsic magnetic topological materials.     

Band structures of two dimensional solid/air hierarchical phononic crystals

The hierarchical phononic crystals to be considered show a two-order “hierarchical” feature, which consists of square array arranged macroscopic periodic unit cells with each unit cell itself including four sub-units. Propagation of acoustic wave in such two dimensional solid/air phononic crystals is investigated by the finite element method (FEM) with the Bloch theory. Their band structure, wave filtering property, and the physical mechanism responsible for the broadened band gap are explored. The corresponding ordinary phononic crystal without hierarchical feature is used for comparison. Obtained results show that the solid/air hierarchical phononic crystals possess tunable outstanding band gap features, which are favorable for applications such as sound insulation and vibration attenuation.     

广义Fibonacci准周期结构声子晶体透射性质的研究

提出了一维广义Fibonacci准周期结构的声子晶体模型. 对弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数进行数值计算,并与周期结构和标准Fibonacci准周期结构声子晶体的透射系数进行比较. 结果表明,利用一维广义Fibonacci准周期结构的声子晶体可获得比周期结构和标准Fibonacci准周期结构声子晶体更大的带隙范围,同时在带隙内有更丰富的局域模式存在. 对局域模性质的研究有助于声波或弹性波滤波器的制作. 关键词： 广义Fibonacci准周期结构 声子晶体 局域化     

Electronic structure of three-dimensional topological insulators: thickness dependence and warping effect

We theoretically study the electronic structure of a three-dimensional topological insulator using a 3D lattice model with a warping term included. Thickness dependence of the electronic structure and the shape of constant-energy contour at different energy are both investigated in this model. We demonstrate that an energy gap opens in the surface state when the thickness is below six quintuple layers and disappears for thicker topological insulators. With the increasing of energy, the shape of constant-energy contour of the surface state band gradually evolves from a point at Dirac point to a circle with increasing volume, then to a hexagon, and finally to a hexagram. We clarify that the critical thickness of six quintuple is not modified by the warping term and the appearance of a hexagram is not influenced by the finite size effect. These phenomena agree well with recent angle-resolved photoemission spectroscopy experiments.     

径向声子晶体隔声特性*

该文构造了由两种匀质材料交替分布的径向声子晶体柱壳模型。首先,针对声波在其中的轴对称传播情况进行了理论分析,建立了声波由内向外传播的传递矩阵,进而导出了声压透射系数和隔声量表达式。采用数值分析的方法系统地讨论了径向声子晶体柱壳的隔声特性,并与单一材质柱壳的传播规律进行对比分析,其次,借助有限元仿真分析的手段对数值结果进行了验证。最后,详细分析了内外流体的特性阻抗对径向声子晶体柱壳隔声特性的影响,得到了相应的参数影响规律。研究表明,径向声子晶体柱壳存在声波带隙,导致其在带隙范围内的隔声效果远远优于单材质柱壳,并且该结构的固有特性突破了质量定律的限制;声波带隙内表面局域态现象出现与否由内外声场和结构场共同决定。