Advanced Materials:突破衍射极限——基于声学二阶拓扑绝缘体的深亚波长声学成像

2016年诺贝尔物理学奖授予在拓扑相变以及拓扑材料方面做出巨大贡献的David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz,拓扑绝缘体中电子的受拓扑保护边界态无损传输给信息通讯带来了新曙光。而近十年来,具有无反射边界传输特性的拓扑边界态这一概念被广泛的引入到经典波系统中,比如光波、声波和弹性波体系,实现了经典波系统中的类量子效应和单向无损传输。在二维声学系统中,基于类量子霍尔效应、类量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体及谷霍尔效应的一维拓扑边界态被相继理论提出并实验验证。值得注意的是,这些二维空间中的一维拓扑边界态都存在于一阶拓扑绝缘体中,而高阶拓扑绝缘体的概念最近被提出,意味着在d维空间中,(d-n)维拓扑态将存在于n阶拓扑绝缘体中。以二阶拓扑绝缘体为例,能量集中在拐角处的拓扑角态(corner state, 0维拓扑态)将存在于二维空间中,能量集中在边上的拓扑铰链态(hinge state, 1维拓扑态)将存在于三维空间中。

在声学系统中,研究人员理论上发现可通过收缩和扩大正方晶格超元胞内单元间距打破能带简并形成带隙,并且通过计算二维Zak相位,发现这两种结构分别为拓扑平庸态(trivial state)和拓扑非平庸态(nontrivial state),那么声能量局域在拐角处的拓扑角态将存在于非平庸态声子晶体的拐角处。基于上述原理,南京大学物理学院声学研究所张志旺(博士研究生)、龙厚友博士、程营教授、刘晓峻教授和西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授等人进一步在实验上实现了深亚波长尺度、多工作频带且不受空间限制的二阶声学拓扑绝缘体,并构建一种基于高阶拓扑绝缘体的超衍射极限成像声学功能器件。

研究人员通过在硬质基底材料上打孔的方式构建正方晶格,取相邻四个孔为一个超元胞,通过缩小和扩大孔间距可以构造具有不同二维Zak相位的声子晶体。值得注意的是,这种结构同时存在着三个发生拓扑相变的能带频段,并且均位于声学线(sound line)下方,分别对应于一阶、二阶和三阶共振,所以声波将以类声学表面波(spoof surface acoustic wave)的形式传播。根据原理,角态存在于非平庸态声子晶体的拐角处。研究人员仿真和测量了其中一个拐角附近拓扑角态的声场分布,发现在深亚波长二阶拓扑绝缘体中,声波被高效局域在了五十分之一波长的空间内。对缺陷拥有较好的鲁棒性是拓扑绝缘体的一大特点,研究人员证明这种结构对不同类型的缺陷都具有很好的鲁棒性。基于这种深度亚波长尺度、声场鲁棒性局域等特点,研究人员进一步尝试构建了一种声学成像功能器件。这里可通过编程操作排列平庸结构和非平庸结构来构建所需成像结构,比如可以按照特定排列方式形成“心”形的声学图形。研究人员在仿真计算和实验上也成功观测到了明显的“心”形图形,和理论结果一致。更重要的是,这种成像原理不仅可以运用在形状成像上,还可用于较复杂的字母成像中,比如字母“A”和“M”。 该工作将高阶拓扑绝缘体理论与新原理声学功能器件相联系,为深亚波长尺度的、具有较好鲁棒性的声能操控和声学器件设计提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904682)上,并于当期Inside Cover做简要介绍。