郑立洋副教授在拓扑辐射领域方面取得重要进展

导读

       近日，我院郑立洋副教授与南京大学的陈延峰教授，卢明辉教授团队以及马德里材料所的Johan Christensen研究员合作，在拓扑辐射与波调控方面取得重要进展，提出了一种具有手性和镜面对称的双曲超表面拓扑微米结构，首次在超声频域实现了弹性波的拓扑辐射，为微振动控制和超声器件设计提供新的可能。相关成果以“Focusing micromechanical polaritons in topologically nontrivial hyperbolic metasurfaces”为题，发表在⟪Advanced Materials⟫期刊。郑立洋副教授、卢明辉教授和Johan Christensen研究员为论文通讯者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202311599

工作亮点与意义 

       双曲材料由于其具有天然的色散调控优势而备受关注，在负折射、亚波长成像、自旋霍尔效应等方面获得了广泛研究和应用。特别是近几年，具有双曲色散的叠层范德瓦尔结构的兴起，为光与物质相互作用的增强和调控提供了新的可能。然而，这些材料的双曲色散通常都不具有拓扑保护，即双曲能带无法用非平庸的拓扑指数或缠绕数来进行表征。因此，相关的波动效应通常不具有拓扑保护的增强效果以及对缺陷免疫的鲁棒性，限制了双曲材料的调控能力。在该工作中，我们提出了一种具有手性和镜面对称的超表面拓扑微米结构，构建了拓扑能带的理论模型，展示了能带结构中节点线如何实现双曲相变，并在实验中展示了弯曲波激元的双曲辐射特性。该工作报道的拓扑辐射不仅具有对缺陷免疫的鲁棒性，也提供了细致操控双曲激元发射的手段。

图1. 拓扑双曲超表面结构的色散关系和分析模型。a.不同不同视角下的结构单胞示意图。b.柱状元曲面的能带结构。c.结构哈密顿量的图论模型。箭头表示相互作用方向，当|Lx|=|Ly|时，存在镜像对称性。d.弯曲波动力学模型。近邻柱子间的相互作用包括剪切、弯曲和扭转相互作用。e.第二、三能带的频率面显示双曲色散出现在f0。

图2. 实验样品以及测量的双曲节点线。a、b. 加工的双曲超表面扫描电镜图。c. 实验装置与测量系统。d.在 f0= 519 kHz 处等频线的测量结果，虚线标出了 预测的节点双曲线。e. f0= 519 kHz 处等频线的模拟结果。

图3. 拓扑双曲激元辐射。a. f= 521 kHz 时测量和模拟的弯曲波辐射图案。源位于样品中心。b.将源置于右下角时的定向发射图案。c.使用四点源调制可激发出丰富的单向传播。

图4. 双曲超表面的缺陷鲁棒性测试。a-c.三个不同频率下的实验和模拟的曲面波传播图。d.支柱位置移动∆导致缺陷示意图。e.当扰动∆=0.35t1时，f0 周围的等频色散图。f.无序情况下的拓扑辐射。此时扰动 ∆ 在 [-0.35t1, 0.35t1] 范围内均匀分布。