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流体波人工声子带隙材料

流体波人工声子带隙材料

1 声子晶体

1.1 拓扑声子晶体

1.1.1 具体时间反演对称性的拓扑声子晶体

1.1.1.1 声拓扑绝缘体和声波的单向传输

xu2

    材料的拓扑设计可使其具有拓扑对称性,并可以使声波的背向散射完全抑制。然而,声波偏振的纵向特征决定了不可能利用传统的自旋-轨道耦合作用实现能带反转。在这里我们实现了声子能带在双狄拉克锥处的反演,并从实验上实现了声拓扑绝缘体,成功证实了声学的量子自旋霍尔效应。该研究结果为实验探究拓扑现象及其相关应用,如减少噪声方面提供了新的探索途径。      

   了解更多相关信息请参阅Nature Physics (2016), doi:10.1038/nphys3867

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3867.html?WT.feed_name=subjects_physics

1.1.1.2 基于耦合环谐振器的水中拓扑声子结构

xu3

    我们通过声耦合环谐振器的周期排布,设计了一种水中的拓扑声子结构。在每个环谐振器中,两支声学模分别按顺时针和逆时针传播,看作是相反的自旋。这是由无带隙的边界态所导致的,与量子自旋霍尔效应类似。我们还研究了该拓扑态的稳定性,结果表明如果不引入缺陷促进顺时针和逆时针模式的耦合,这两支独立自旋的声模式具有稳定性。声传播的拓扑工程对下一代声功能器件,尤其是水下器件的设计起了很大的促进作用。      

   了解更多相关信息请参Appl. Phys. Lett. 108, 031904 (2016)

http://dx.doi.org/10.1063/1.4940403

1.1.2 打破时间反演对称性的拓扑声子晶体

xu4

    近期探索物理系统的拓扑结构取得一定的成果,为研究拓扑保护态和相变为特征的凝聚态物质提供了新的范例。例如,拓扑保护的光子晶体具有磁光效应。但是拓扑状态不能简单地拓展至声学波系统中,因为天然材料中没有磁-物质耦合作用。我们在声学环谐振器中使用循环流动的空气创建一个针对声波的磁场,设计了这种声学拓扑结构。这种设计打破了时间反演对称性,因此我们可以得到具有非零陈数的奇异的拓扑性质和拓扑声子晶体。该研究在拓扑结构的设计上提出了新思路,并提出一种独特的方法来有效操纵声的界面传输。

    了解更多相关信息请参阅New J. Phys. 17 (2015) 053016

http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/17/5/053016

 

1.2 声子晶体的拓扑性质

1.2.1 声子晶体中的负折射现象

1.2.1.1 声波的负折射

xu5

    我们在二维的三角形声子晶体(SC)中证实了回波(BW)效应与声波负折射现象。强的布拉格散射导致第二能带的等频面发生变形形成两级:一类围绕K点,另一类围绕在简约布里渊区的Γ点。这可以产生回波负折射,但负折射依赖声波的频率和入射角度。不同于左手材料和声子晶体的第一能带,在K点附近的等频面出还会出现回波的正折射,这就可能提高具有亚衍射极限的声波分辨率。

    了解更多相关信息请参阅 Phys. Rev. Lett. 96, 014301
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.96.014301

 

1.2.1.2 声波的双负折射

 

n1

    光学的双折射和二色性起源于光波在各向异性晶体中两个独立的偏振,是重要的光学效应。此外,电磁波在光子晶体中偏振形成了横向电场与横向磁场之间独特的色散关系,这更容易形成双折射。然而,流体中的声波由于只有单一的纵偏振,很难表现出双折射现象。人工声子晶体的出现很大程度上拓宽了用来控制带隙和声波传输的声学材料的范畴。最近,负折射现象在左手材料和光子晶体中都得到证实,已经引起了人们的广泛关注。与之类似,研究人员在声子晶体中同样发现了声波的负折射现象。我们首次报导了二维声子晶体中声波的负折射现象,甚至具有相同的频率和偏振。基于此特性,我们可以实现单一点源的双聚焦成像。而双折射的概念还可以延伸至其它形式波的周期系统中,这将对基础物理和设备应用的研究产生重要的影响。  

   了解更多相关信息请参阅Nature Materials 6, 744 - 748 (2007)

http://www.nature.com/nmat/journal/v6/n10/full/nmat1987.html

1.2.2 声子晶体中的单向传输

n2

    波的单向传输一般需要强的非线性材料来打破时间反演对称性。我们在声子晶体的基础上利用声学二极管打破了波传播过程中的空间反演对称性,并在实验上实现了声波的单向传输。这种奇异的现象是由于在声学二极管的两端有着不同的模式转换、能量传输效率和衍射极所导致的。声波的单向传播可以通过旋转声子晶体的方柱来控制。不同于具有时间对称性破缺的非线性效应,这种新的单向传输模式具有高效率、宽频带和低能量损耗的特点,在很多声器件上都有着广泛的应用。

    了解更多相关信息请参阅Phys. Rev. Lett. 106, 084301

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.106.084301

1.2.3 声子晶体中的狄拉克点

1.2.3.1 单狄拉克锥

xu6

    我们研究了声学相重构,通过在空气中设计钢管排布的三角晶格结构并实验实现了这种二维声子晶体。由于这种声子晶体的两个能带在K/K′点处接触产生了一个狄拉克锥,声波在这种声子晶体的传输呈类扩散特征,并在远离声子晶体表面的区域产生了重构的平面波阵面。这种声学相重构效应有很多重要应用,我们主要实现了两方面的应用:一是声学准直仪;二是声波频率为41.3kHz的声学隐身。

    了解更多相关信息请参阅Appl.Phys.Lett. 106,151906 (2015)

http://dx.doi.org/10.1063/1.4918651

1.2.3.2 双狄拉克锥

xu7

    有着狄拉克色散的人工蜂巢状晶格提供了一种宏观上的方式去研究无质量的狄拉克准粒子及其独特的几何相位。本研究在二维蜂巢晶格的布里渊区中心处实现了四重简并状态。四重简并状态的周围区域处的色散关系是线性的,这种四重简并是由群论严格分析得出。通过获得描述这种四重简并状态线性色散关系的约化哈密顿量,这与模拟结果相吻合。研究还观测到波传播过程中的一些独特的性质,如对缺陷不敏感的传播特性、Talbot效应。

    了解更多相关信息请参阅Scientific Reports 4, Article number: 4613 (2014)

http://www.nature.com/articles/srep04613

1.2.4 声子晶体中的声学隐身

xu8

    零折射率的材料在许多领域都有广泛的应用前景。我们用声子晶体设计制作了一种折射率接近零的材料,它是由在空气中密集排布成矩形的铁杆组成。由于Fabry-Perot共振,在简约频率f= 0.5443c/a处色散关系呈平直能带。通过计算我们发现平直能带处的有效质量密度和体弹性模量的倒数几乎为零。我们还提出了一种等效管网络模型来揭示这种零折射效应的机理。这种基于FR共振的零折射材料还展现出操纵波方面的新奇的特性。

    了解更多相关信息请参阅Appl.Phys.Lett. 104,161904 (2014) 

 http://dx.doi.org/10.1063/1.487335

2 声学超构材料

2.1声学超构材料和声波的单向传输

xu9

    非对称的声学传输设备因具有单方向的声学传输特性在很多实际应用上都有需求。这种特殊的性质可以利用运动介质中的塞曼效应实现,也可以通过声学系统的频率转换实现。这里我们展示了一种新型的声频率转换的时变系统,它由旋转的叶片和周围空气组成。这个时变系统中散射的声波频率能够发生变化并受叶片旋转频率的控制。我们可以用线性声学的时变扰动理论来描述这种散射机理。结合这种具有高效声学过滤的时变散射效应,我们成功地开发了一种可调的声单向传输设备,可听频段的声波在正反方向的传输相差20dB

    了解更多相关信息请阅读Scientific Reports 5, Article number: 10880 (2015)

http://www.nature.com/articles/srep10880

2.2 空间卷曲超材料的声学效应

x1

    我们数值上实现了空间卷曲超材料的声学rainbow trapping效应。由于空间卷曲超材料具有高折射率,我们的装置相比之下更加小巧紧密。我们利用有效的参数计算了一个数值模型,其结果与空间卷积结构直接的数值模拟结果是一致的。此外,这种装置能够将入射声信号的不同频段部分引入不同的通道。这些成果有望应用于声功能器件方面,如滤声器、人造耳蜗等。

    了解更多相关信息请阅读Scientific Reports 4, Article number: 7038 (2014)

http://www.nature.com/articles/srep07038

2.3 全方位的声波吸收器

x2

    我们设计了一种在水下的二维全方位的声波吸收器,声波吸收率可达98.6%,有效形成了一个的声波黑洞。这种人造的声波黑洞结构包含一个吸收核心,核心覆盖着周期性排布的圆柱状聚合物涂层。有效介质理论描述了涂层对声波的响应。我们可以通过调制聚合物的参数以满足吸收器的实际制造需要。由于这种结构不依赖共振,适用于较宽的频率范围,有望拓展至更多的应用。

    了解更多相关信息请参阅AIP Advances 3, 102122 (2013)

 http://dx.doi.org/10.1063/1.4826610

2.4 声学隐身

n5

    我们从理论上设计了一种声学地毯隐身斗篷并在空气中使用钢/空气复合结构实现了它。基于有效介质理论,我们设计了复合材料的有效质量密度和体弹性模量,并使之与坐标变换方法计算得出的空间上的变化参数相匹配。最终实现了良好的声波隐身性质,使物体在较宽的声波频率范围内实现隐身。这种方法操作简单,通过设计复合材料能够实现对声波的有效操控。

    了解更多相关信息请参阅 Physics Letters A 376 (2012) 493–496

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960111013806

3 一维声学结构

3.1 声学异常投射

3.1.1 声栅中的声学异常透射

n3  

    最近,关于带有亚波长孔阵的金属薄膜上异常光传输现象(EOT)的研究逐渐引起人们的兴趣。我们发现,入射声波在一维声栅上的传输也可以出现异常增强。这种声学异常透射现象已经得到理论和实验的证实,研究表明衍射波与波导模式的耦合是产生这种现象的关键。这种声学异常透射现象在声学领域有多种潜在的应用,也有利于理解亚波长光学系统中的异常透射现象。

    了解更多相关信息请参阅Phys. Rev. Lett. 99, 174301

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.174301

3.1.2 带有亥姆赫兹共振腔的声栅中的声学异常透射

x3 

    我们从理论和实验上研究了一种复杂结构,其引入“面对面”的亥姆赫兹共振腔构成了一维的声栅。由于局部共振结构中声波相互干涉,该系统中成对的亥姆赫兹共振腔彼此紧密耦合为两种状态:连结态和非连结态。当处于连结态时,Fabry–Pèrot共振模的交互作用形成了异常声投射峰。相反的,当处于非连结态时,共振模完全发生在亥姆赫兹共振腔内部,对声波的传输没有贡献。

    了解更多相关信息请参阅CHIN. PHYS. LETT. Vol. 33, No. 4 (2016) 044302

http://cpl.iphy.ac.cn/EN/Y2016/V33/I04/044302

3.2 声的准直

fig1.2

    我们从理论和实验上证明了在一维平板上声学异常投射和声的准直的物理机制。微观理论认为,总声场是平板上周期排布的槽的散射波的叠加,可以分为远场辐射柱面波和声表面倏逝波(ASEWs)。不同于兰姆波和瑞利波等传统的声表面波,声表面倏逝波与光学中的表面等离子激元非常类似。声场的成像表明,实验结果很好地吻合了声表面倏逝波的理论计算。声表面倏逝波为亚波长声学器件于固体结构表面的集成提供了一种新的途径。

    了解更多相关信息请参阅Phys. Rev. Lett. 104, 164301

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.164301

3.3 声学拉比分裂

x4

    我们设计了一种实现了声学的拉比分裂和拉比震荡的结构,还开发了严密的分析模型从相位匹配和模耦合的角度去分析拉比效应。研究发现,拉比分裂效应是由Fabry–Perot共振模式和声学人工“原子”共振模式的耦合造成的。我们得出了这种耦合强度并分析了结构参数对它的影响。此外,我们还证实了时域拉比震荡现象,这种量子现象或许可以应用至新型的超声设备中。

    了解更多相关信息请参阅New Journal of Physics 16 (2014) 043006

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/16/4/043006/meta

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人工声学带隙材料:弹性波

人工声学带隙材料:弹性波

2 弹性波体系声子晶体

2.1 瑞利波(声表面波)

2.1.1 声表面波类石墨烯材料

c1

在信息和通讯技术急速发展的今天,不断提高对各种波动体系(如电子波、电磁波、声波等)及它们所对应的粒子和准粒子(电子、光子、声子等)的有效调控,是推进整个产业不断发展和进步的技术基础。在一些具有强散射特性的介质中,波动及粒子的传输根据散射体本身及所含杂质的不同,展现出多种形式,例如:局域(localization)、遂穿(tunnelling)、弹道型(ballistic)及扩散型(diffusive)传输等等。近十年以来,伴随着石墨烯(graphene)材料及随之而来过渡金属二维材料(2D-materials)的出现,材料学家及物理学家们提出了一种全新的材料设计方案:基于相对论原理设计电子的能带结构,使其形成“零有效质量”的狄拉克(Dirac)费米子,并以此实现具有极低损耗、极高迁移能力的电子传输。

所谓狄拉克费米子,指的是可以用狄拉克方程描述的、具有线性色散的费米子(如电子等);狄拉克方程是构建相对论量子力学的基石之一,同时也促成了量子场论的诞生和发展。由狄拉克费米子人们可以进一步拓展至狄拉克准粒子的概念,即:一切可由狄拉克方程描述的量子,包含电子、光子及声子等等。这类粒子早在上个世纪初就已经在理论上进行了深刻的讨论,然而,由于缺乏行之有效的实验平台,长期以来理论所预言的许多新奇的效应一直未得到充分的实验证实,例如:由克莱因(Oskar Klein)在1929年提出的克莱因佯谬(Klein paradox)、由薛定谔(Erwin Schrödinger)在1930年提出的ZB效应(Zitterbewegung)等等。直到石墨烯出现之后,由于电子在其六边形布里渊区顶点附近展现出狄拉克准粒子的形式,相当一些物理问题才得到实验证实,取得了一系列重要发现,包括:量子(自旋)霍尔效应、超导电性、具有亚泊松分布的量子散粒噪声等等。然而,由于石墨烯等几乎所有的二维材料,主要采用多次剥离或人工单层生长等方式进行制备,必然导致一些无法避免的结构缺陷或杂质;同时,由于“电子-电子”间及“电子-声子”间散射而导致电子波发生退相干,使得这些二维材料依然无法充分满足人们对探索更多物理问题的需要。例如ZB效应(作为狄拉克准粒子的电子和空穴相互干涉而导致的振荡现象)就未能在石墨烯或是其它固体电子系统中被证实。因此,设计出某种“具有狄拉克准粒子,同时又能克服电子系统二维材料所面临的困难,以实现具有超高信号保真能力及相位分辨能力、易于设计且易于时域及空间信号测量的人工二维材料”,无论对于验证长久以来的物理预测,亦或是将狄拉克准粒子进一步推广到实际应用,都具有十分重要而深远的意义。

本课题组首次提出并成功实现了基于弹性体声学表面波体系的人工微结构材料——声表面波类石墨烯微结构材料。该材料的实现方式简便而巧妙:在压电材料(如铌酸锂)基底表面上的一层极薄的金属层上,采用电化学生长的方式制备出具有类似石墨烯的蜂窝状金属(如镍、金)微结构阵列;在理论上,每一个金属微结构单体可以视为一个独立的声学振子,它们彼此间又通过弹性体基底发生近邻耦合,从而得以形成基底表面的晶格振动模式,即表面声子;由于蜂窝晶格具有的C6v对称性,这些表面声子在六角形布里渊区顶点附近发生能量简并,实现了满足狄拉克方程描述的“狄拉克表面声子”。在具体实验中,通过利用完全单片集成的叉指换能器激发并接收声表面波,测定并表征声表面波在这一人工声学二维材料中的传输特征:位于狄拉克频率处,声表面波在其中的传输显现出类似在完全无序介质中的“扩散”情形,且这一情形随着偏离狄拉克频率而逐渐消失。伴随着这一声表面波的“扩散”,同时观察到了声表面波的ZB效应(Zitterbewegung):当具有一定频率带宽的声表面波在人工声学“石墨烯”材料中进行一定距离的“扩散”传输后,脉冲波包显现出非常明显的“指数型衰减振荡”。

这一完全单片集成的、基于弹性基底表面的人工声学二维材料为相关物理、材料学的研究提供了一个崭新的平台,具有如下重要的意义:(1)不同于电子体系的二维材料,人工声学二维材料具有超高信噪比及相位分辨能力、超低传输损耗、超强抗干扰能力,是一种可用于研究Dirac物理的新的实验平台,为凝聚态物理学的研究提供了一个新的实验方法。(2)声表面波作为具有剪切模量的弹性波,拥有三个振动方向的自由度,对比于常见的声学流体波(纵波,单个自由度)或是电磁波(TETM两个自由度)具有更多的自由度,这就使得一系列在其它系统中无法或很难实现的物理研究在该系统中变得十分简便,例如:可以利用其实现具有转动惯量(或称为赝自旋)的表面声子、利用等效自旋轨道耦合实现谷自旋分离的能谷效应,甚至可引入规范场实现拓扑边界态等等。(3)声表面波类石墨烯这一人工声学二维材料具有“2+1维”的特性,即:“两个维度的周期性及面内传播特性”加上“第三个维度的有限尺寸”,这就使得对其进行表面设计、调控变得十分简便。例如:可以通过调整每一个格点原子(金属微结构)的几何/弹性参数,从而改变它们间的耦合强度,甚至可以引入负的耦合强度,以及引入层间耦合研究双层石墨烯的一些输运行为。此外,该研究也具有重要的实际意义,为新型声表面波传感器、振荡器、延时器和波分器件等微波电声集成器件的开发提供了新的设计原理,也为基于声表面波的传感器件的开发提供了新方法,同时为进一步开展声子通讯和量子声学的工作提供了新的思路。