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近日，中科院声学所噪声与振动重点实验室博士生张鹏及研究员杨军、贾晗与武汉大学、华南理工大学团队合作，首次在声子晶体中构造了声学万尼尔构型，并观测到了分数化的声学谱电荷分布，从而为判断声学人工晶体的拓扑性质提供了一种内禀的判据。相关研究成果于4月15日发表于《科学通报》。
拓扑声学研究起源于利用声学人工结构实现凝聚态物理中复杂拓扑物理机制的过程。此后，拓扑声学为实现声场的定向调控提供了前景可观的新思路。
然而，目前的研究大多基于凝聚态物理中贝里曲率的概念分析体系的拓扑性质，该方法已不再适用于具有各种复杂晶体对称性的声学拓扑结构。此外，声波作为经典波缺少限制拓扑态频率的对称性，导致大量的声学拓扑态湮灭在体连续谱中，从而无法被实验观测和调控利用。
在本项研究中，研究人员在构建的声子晶体中测得了表现为分数化谱电荷的拓扑角模式反常，这种模式反常可以作为一种易于观测的实空间拓扑指标对湮灭在体态中的拓扑角模式进行先验判别。
在此基础上，通过将不同的万尼尔构型按照多种方式进行组合，将原本湮没在体连续谱中的角模式调制至带隙中。在组合后的声子晶体中，平庸相和非平庸相结构均可以作为包覆层，这为在带隙中构造和调控拓扑角模式提供了一种新思路。
据介绍，这种模型有望应用于设计高品质因子的声学谐振腔、声学俘能器等功能器件。相关研究思路也可被推广到弹性波，声表面波等其他经典波系统中。
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在声子晶体中实现处于不同拓扑相的万尼尔构型 中科院声学所供图
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https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.03.015
