[論文レビュー] Demonstration of Dynamic Topological Pumping Across Incommensurate Acoustic Meta-Crystals

Wenting Cheng, Emil Prodan+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、外部同期を要せず、調整可能なフォASON自由度を用いて準位相的周期的サイクルを駆動することで、非周期的音響メタ結晶において自己駆動型のダイナミックなトポロジカルポンプを実現した。この系は、制御可能でトポロジカルに保護されたエッジ間エネルギー伝達を可能にし、信号はトポロジカル周波数領域でのみ検出可能であるため、古典的かつ再構成可能なプラットフォームにおけるトポロジカルエッジモードの頑健性が確認された。

ABSTRACT

A Thouless topological pump can be regarded as a dynamical version of the integer quantum Hall effect. In a finite configuration, a topological pump displays edge modes, which emerge dynamically from one bulk-band and dive into the opposite bulk-band, an effect that can be reproduced with both quantum and classical systems. In the classical setup, this phenomenon opens the possibility of controlled edge to edge energy transfer and many re-configurable meta-materials have been proposed for this purpose. However, driving them in real (as opposed to simulated) adiabatic cycles requires synchronized bulk deformations of the meta-material and this proved to be extremely challenging. Here, we report the first un-assisted dynamic energy transfer across a meta-material via pumping of topological edge modes. The system is a topological aperiodic acoustic meta-crystal, with a phason degree of freedom that is experimentally accessible and easily adjustable. As a result, the phason can be fast and periodically driven in adiabatic cycles, without any outside intervention or assistance. Furthermore, when one edge of the meta-crystal is excited in a topological forbidden range of frequencies, a microphone placed at the other edge starts to pick up signal as soon as the dynamic pumping process is set in motion. In contrast, the microphone picks no signal when the forbidden range of frequencies is non-topological.

研究の動機と目的

• バルクの変形を外部で同期制御する必要がない、古典的かつ再構成可能なシステムでのダイナミックなトポロジカルポンプの実現を目的とする。
• 調整可能なフォASON自由度を有する非周期的音響メタ結晶が、自己的に準位相的ポンプサイクルをサポートできることを実証すること。
• 制御された周波数励起下でのエッジ間伝播を測定することで、実際の物理系におけるトポロジカルエッジモード伝達を検証すること。
• 反対側のエッジでの信号の有無を観察することで、トポロジカルと非トポロジカルな周波数領域を区別すること。

提案手法

• 迅速かつ周期的に変調可能なフォASON自由度を有する非周期的音響メタ結晶を用いる。
• 外部支援や同期なしに、フォASONの高速かつ周期的な駆動を実装し、準位相的サイクルを誘発する。
• トポロジカルな禁止バンドギャップ内に位置する周波数でメタ結晶の一方のエッジを励起し、エッジモード励起を調べる。
• マイクロホンを用いて反対側のエッジでの信号検出を測定し、ダイナミックエネルギー伝達を確認する。
• トポロジカルと非トポロジカルな周波数範囲における信号応答を比較し、トポロジカル寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部同期を要せず、古典的かつ非周期的な音響メタ結晶でダイナミックなトポロジカルポンプを達成できるか？
• RQ2 フォASON自由度が、トポロジカルポンプに適した自己的で準位相的なサイクルを可能にするか？
• RQ3 実験的セットアップにおいて、トポロジカルに保護されたエッジ間エネルギー伝達が観測可能か？
• RQ4 反対側のエッジでの信号検出が、トポロジカルと非トポロジカルな周波数領域を区別できるか？

主な発見

• 外部同期を要せず、トポロジカルエッジモードを介したメタ結晶全体を通じて自己駆動型のダイナミックエネルギー伝達が成功裏に実現された。
• 励起周波数がトポロジカルな禁止帯域内にある場合、動的ポンププロセスを開始した直後、反対側のエッジにマイクロホンで信号が検出された。
• 励起周波数が非トポロジカルな領域にある場合には、反対側のエッジで信号が検出されず、エッジモード伝達のトポロジカル保護が確認された。
• フォASON自由度により、系の高速かつ周期的な駆動が準位相的サイクルで実現され、外部干渉なしにポンププロセスが促進された。