拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

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.     

基于线缺陷声子晶体的声波导设计

在含缺陷的声子晶体中,缺陷模的声波能量被局限在缺陷处,据此设计了由花岗岩柱体按周期排列在空气中形成的二维线缺陷声子晶体型声波导.采用平面波展开法数值模拟了该模型的能带结构,确定最佳的排列形式以及缺陷能带的频率范围.测量了透过声子晶体的声压强,确定缺陷能带.实验结果证实线缺陷声子晶体对缺陷模具有明显的声波导作用.     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、局域缺陷态与弹性波带隙等特性,使其在声学隐身、声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力.同时,二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料.将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上,可以制备出纳米尺度的声子晶体器件.本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上,形成一维声子晶体的方案.有限元分析表明,这种声子晶体在MHz范围存在声子能带结构,可以实现对声波传播的控制.我们可以通过改变结构参数,或者通过改变施加在栅电极上的电压,对能带进行调控.这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

三维声子晶体带结构研究

运用平面波展开法计算由长方体散射物以面心立方结构排列于基体中形成的三维声子晶体的带结构,研究不同组分材料、散射物的填充率和长方体散射物的高与长之比 R_(HL)对带隙的影响.结果表明,将质量密度和波速大的散射体放在质量密度和波速小的基体中所形成的三维(面心立方)固态声子晶体有利于带隙的产生；散射体的填充率为中间值时带隙最宽；散射体的对称性强烈影响带隙,当 R_(HL)大于等于1时,带隙宽度随 R_(HL)的增加而减小,相反,当 R_(HL)小于1时,带隙宽度随 R_(HL)的增加而增加.     

声子晶体的负折射

通过对声子晶体负折射的实验和理论进行梳理,提出可以通过从对称性角度理解声波在周期性结构中的散射,来理解声学负折射现象的物理机制.在此启发下,本文继而运用有限元模拟,通过改变背景介质的声学常数,成功展示了声波在声子晶体中的负折射现象.     

声光子晶体微腔的光声传感特性

声光子晶体是一种同时具有光子和声子带隙的人工微结构,因此可实现对光和声的同时操控,在腔光力学及声光功能器件领域展现了广阔的应用前景。本文基于有限元数值计算方法,研究了声光子晶体微腔的光声传感特性。研究结果表明,通过简单地引入点缺陷,声光子晶体不仅能很好地实现对光和声场的同时局域,而且能同时获得光及声信号的高灵敏度传感,光、声传感灵敏度分别达到了277nm/RIU,2.75MHz/ms-1。由于光和声两个物理量能同时并独立地实现高灵敏度传感,因此该种传感器能应用于更为复杂的生化传感。     

声子晶体中的声谷态输运

如同自旋电子学中的自旋,固体中的能谷自由度可视为新的信息载体,从而用于未来的电子器件设计。最近,作者将谷态的概念引入到声子晶体中,揭示其涡旋属性并建立激发选择定则。有趣的是,声谷态可由外部声场直接激发,并通过探测声子晶体内外的声场分布展示其极化特性。这种涡旋手性锁定的谷输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到声和物质的相互作用,也可预期谷涡旋态的其它新奇应用,如旋转操纵微颗粒等。进一步研究发现,存在两类拓扑非平庸的声谷霍尔相,它们之间的界面可以支持拓扑保护的边缘态。研究表明,该边缘态具备各种新颖的性质,如谷选择性激发、边界拐弯抗反射等。     

基于声子晶体位错理论的二维超声塑料焊接系统

为了有效改善二维工具头辐射面振幅分布不均匀的问题,对二维超声塑料焊接系统进行了优化设计研究:首先,利用横向位错在大尺寸长条形工具头上构造近周期声子晶体同质位错结,调节带隙的宽度和位置,使得二维超声塑料焊接系统的工作频率位于工具头的横向振动的带隙内,进而有效地控制工具头X方向的横向振动;其次,利用近周期声子晶体斜槽结构进一步优化辐射面的振幅分布均匀度,并分析了斜槽结构参数对超声塑料焊接系统纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律.模拟仿真结果表明,近周期声子晶体同质位错结和斜槽结构能够实现对二维超声塑料焊接系统的优化,为横向振动抑制理论的进一步研究提供了基础.     

二维声子晶体带结构研究

声子晶体是近十年来提出的新课题，对声子晶体带结构的研究具有理论和应用价值。论文介绍了用平面波展开法计算二维正方点阵的固体／固体声子晶体带隙的方法，并应用于各向同性的铅柱体填充物以正方点阵排列于各向同性的环氧树脂基体中所形成的二维双组分复合体系。计算了柱体横截面是长方形时晶体的带隙，结果发现随着长方形截面的长宽比（l1／l2≥1时）的增加，带隙宽度逐渐减小，最后消失。     

声子晶体中的半狄拉克点研究

在本文中, 构建了一种易于实现的二维声子晶体: 截面为正方形的铁柱以三角晶格形式排列在水中. 研究发现, 在此声子晶体的布里渊区中心Γ点有半狄拉克点出现: 其带结构沿ΓY方向是线性的, 但沿着ΓX方向却是二次型的. 若散射体绕中心轴旋转角度θ = 45°, 则半狄拉克点的二次型带结构则会转至ΓY方向, 与ΓX相互垂直. 接着, 本文采用k· p 微扰法系统研究了在不同旋转角θ 值下, 简并点附近的带结构特点, 并在此基础上分析了半狄拉克点的出现原因. 在半狄拉克点附近, 以布洛赫简并态为基矢, 文中构造了一个有效哈密顿量, 根据它能准确计算贝利相位, 并发现其值为零. 此外, 通过有限元仿真, 还研究了在半狄拉克点频率附近声波沿着不同方向穿过该声子晶体的透射现象. 本文可以为经典体系中半狄拉克点色散关系的起源、有关传播性质的研究以及其在声子晶体的应用提供理论参考.     

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.     

离子型声子晶体的光学性质

提出了离子型声子晶体的概念,发展了相应的理论：在实验上证实了离子型声子晶体中存在超晶格振动与电磁波的强烈耦合,观察到原先存在于离子晶体中的极化激元等长波光波行为;预言了一些可能的物理效应,离子型声子晶体超晶格振动和电磁波的耦合方程与黄昆方程在形式上完全一致,说明了超晶格与实际晶格在物理上的相似性。     

基于平面波算法的二维声子晶体带结构的研究

介绍了平面波算法计算声子晶体带结构的分析过程，计算了二维双组分液相体系声子晶体的带结构.结果表明，四氯化碳/水银体系比水银/四氯化碳体系更容易产生带隙.随分散相填充分数f的增加，四氯化碳/水银体系声子晶体带隙宽度ΔΩ先增加，后减小，当f=0229时，有最大值ΔΩ=0549；水银/四氯化碳体系的带隙宽度一直增大，当f=0554时，有最大值ΔΩ=0515；f一定时，改变分散相单元的几何尺寸和点阵常数，带隙宽度ΔΩ保持不变. 关键词： 声子晶体 声子带隙 平面波算法 带结构     

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。     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.     

新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

晶体中磁极化子的声子平均数

研究晶体磁极化子光学声子平均数的性质，采用Tokuda改进的线性组合算符、Lagrange乘子和变分法讨论了晶体中强、弱耦合磁极化子的振动频率、基态能量和光学声子平均数与磁场B和拉格朗日乘子u的关系。以RbCl和GaAs晶体为例进行了数值计算，结果表明：磁极化子的振动频率随磁场B和拉格朗日乘子u的增加而增大；基态能量随拉格朗日乘子u的增加而增大，随磁场B的增加而减小；光学声子平均数随拉格朗日乘子u的增加而增大。     

基于局域共振单元实现声子晶体低频多通道滤波

从理论上提出一种由局域共振单元组成的声子晶体低频多通道滤波模型.在二维三组元局域共振声子晶体中引入不同填充率的共振单元构成波导结构,通过有限元法计算出其能带结构、透射曲线和透射场图.结果显示:这种设计能够在低频带隙范围内不同填充率散射体的共振频率附近产生新的分立模,且这些分立模能够使相应的声波在声子晶体中沿波导方向传播;这些分立模只与相应的共振单元相关,抗干扰能力强.所得结果为低频多通道滤波器的设计提供了一种新的理论依据.