我院郑立洋副教授课题组在非平庸拓扑声双曲超材料的波调控研究领域取得高水平研究成果

导读

       近日，中山大学理学院郑立洋副教授课题组在对声学双曲超材料的波调控研究方面取得进展，首次在声波系统实现具有对缺陷免疫的可调声远场辐射，并在时间上对其中的两种不同单向模式进行了灵活的周期调制。该工作为双曲超材料中的波研究提供了新的拓扑自由度，同时也为复杂波的灵活调控提供了新的思路。研究成果以“Defect-Immune Sound Radiation in a Topologically Nontrivial Hyperbolic Metamaterial”为题于2025年4月18日发表于Physical Review Letters。

       中山大学为该论文第一单位，中山大学理学院博士研究生张阳为该论文的第一作者，通讯作者为郑立洋副教授。通讯作者还包括西班牙马德里先进材料研究所Johan Christensen研究员。本工作受到国家自然科学基金和中山大学高校基本科研业务费的支持。

01 研究背景

      拓扑绝缘体因其独特的电子特性在凝聚态物理领域仍处于前沿地位。众所周知的体-边对应关系确保了材料体带结构的拓扑特性保护下的鲁棒边缘或界面态的存在。这些态以其无法自由传播且被限制在特定点、路径或边界为特征，在量子计算、新型电子设备的应用中可能有重要前景。基于拓扑绝缘体中的对称性和非平庸相原理，这一概念自然地拓展到了波辐射中。通过利用这些拓扑属性，能像在电子系统中观察到的局域态一样赋予发射波增强的鲁棒性和方向控制。这种方法在对通信传感等领域中光、声以及其它波的操控中已经取得了极大的进展。

02 研究亮点

1.基于手性及镜面对称性设计双曲超材料

       研究团队设计了一种二维声学波导管结构，通过在x和y方向上构建手性位点，使得该结构具有手性对称性。手性对称性强制带结构相对于零能量对称，当额外引入镜面对称性时，手征对会在零能量面处简并并形成由镜面和手性对称性保护的节点线。通过在x和y方向上引入不同的耦合，该节点线的形状即可转化成为具有非平庸拓扑的双曲线。在实验中，研究团队获得了和理论以及模拟高度一致的色散特征，同时等频面色散表现出与理论双曲型一致且非单频的特性，有效拓宽了可工作的频谱宽度，并有利于基于双曲色散的声波路由与操控。

2.空间中多种可调的远场辐射模式

        研究团队通过利用自旋极化自由度，使得声辐射能够展现出多种可调的远场模式。在双曲色散上，由于伪镜面和手性对称性的存在，声波的传输可以被四个本征态的线性组合所描述。通过激发出不同态的组合模式，声波辐射的方向可以被灵活调控。当放置具有特定相位差的声源时，成功在实验和模拟中得到了声波在四个和两个方向上的定向辐射。为了测试双曲色散的非平庸拓扑特性，研究团队在尚未破坏手性及镜面对称性的情况下向结构中加入了吸收或障碍缺陷，观测到特定的远场辐射模式仍然完好。

3.时间上单向模式的灵活调控

       拓扑双曲线的另一个重要方面是它包含四种单向模式，为先进的波操控提供了前所未有的灵活可能性。研究团队设计了一种激励方法，它能在时间周期中针对不同的自旋霍尔纹理改变激发方式。这样，在一个周期内，不同的单向模式被激发，实现了声波辐射方向的转换。在实验中，研究团队通过放置两个声源，并在时间上周期性改变声源间的相位差成功得到了高度准直并且周期性改变辐射方向的结果。

03 总结与展望

      该工作通过手性和镜面对称性赋予双曲超材料以严格的拓扑保护，讨论了如何使声辐射表现出非平凡和缺陷免疫的特性，成功实现了对缺陷免疫的声辐射，并在空间上实现了多种可调的远场模式。此外，研究团队成功地控制了两种单向模式在时间上的周期性转变，从而使拓扑辐射波利用不同的自旋纹理周期性地改变其聚焦方向。该工作为双曲超材料中的波研究提供了新的拓扑自由度，同时也为复杂波的灵活调控提供了新的思路，将会激发更多关于先进波和辐射控制的研究。

论文链接：
 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.156602

研究团队简介

      课题组负责人郑立洋，青年研究员，中山大学副教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才、中山大学“逸仙学者”优秀学者、深圳市鹏城孔雀特聘岗位，曾获欧盟“地平线2020”研究与创新计划玛丽居里学者。长期从事波动物理与拓扑调控的研究，在声超构材料建模新理论、拓扑声波与定向辐射、弹性波调控新机制等方面取得一系列成果。其领导的人工微结构声学工程实验室主要聚焦于（1）声波物理与人工调控（2）新颖波传播现象与效应（3）颗粒声子晶体与声学超材料。欢迎感兴趣的老师和同学与研究团队交流，联系方式：zhengly27@mail.sysu.edu.cn。