[論文レビュー] Experimental Realization of Acoustic Chern Insulator

Yifan Zhu, Peng Yugui+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ローレンツ再帰性の破れを伴う角運動量バイアス付き共振子アレイにより時間反転対称性を破ることで、最初の音響チェーン半導体（ACI）を実験的に実現した。高Qファクター共振子を用いて安定的かつ均一なメタフラッド流れのバイアスを実現し、系は境界でロバストで一方向の非再帰的音響輸送を達成した。これは欠陥や散乱に対してトポロジカルに保護されており、古典的トポロジカル音響学における重要な前進を示している。

ABSTRACT

Topological insulators are new states of matter in which the topological phase originates from symmetry breaking. Recently, time-reversal invariant topological insulators were demonstrated for classical wave systems, such as acoustic systems, but limited by inter-pseudo-spin or inter-valley backscattering. This challenge can be effectively overcome via breaking the time-reversal symmetry. Here, we report the first experimental realization of acoustic topological insulators with nonzero Chern numbers, viz., acoustic Chern insulator (ACI), by introducing an angular-momentum-biased resonator array with broken Lorentz reciprocity. High Q-factor resonance is leveraged to reduce the required speed of rotation. Experimental results show that the ACI featured with a stable and uniform metafluid flow bias supports one-way nonreciprocal transport of sound at the boundaries, which is topologically immune to the defect-induced scatterings. Our work opens up opportunities for exploring unique observable topological phases and developing practical nonreciprocal devices in acoustics.

研究の動機と目的

• 非ゼロのチェーン数を有するトポロジカル絶縁体を音響系で実現し、ロバストな一方向音響輸送を可能にする。
• 時間反転対称性を有する音響トポロジカル系における準スピン間およびバルク間のバックスキャッタリングの制限を克服する。
• 角運動量バイアス付き共振子を用いて古典的音響系で時間反転対称性を破り、非再帰的輸送を誘導する。
• 実用的で実験的に実現可能な設定において、欠陥や散乱に対してエッジ状態がトポロジカルに保護されることを実証する。
• 非再帰的デバイスおよび音響における新しいトポロジカル相への道筋を開く。

提案手法

• ローレンツ再帰性を破るために、設計された角運動量バイアスを有する2次元共振子アレイの実装。
• 有効な時間反転対称性の破れを達成するための回転速度を低減するために、高Qファクター共振子の使用。
• メタフラッド流れの設計により、音響系に仮想ゲージ場を誘導する。
• バンド構造における非自明なチェーン数を達成するために、共振子の幾何学的形状と結合の設計。
• 欠陥状態を変化させた条件下での音響伝送およびエッジ状態の伝播の実験的測定。
• 境界での方向性音源注入と検出を用いた非再帰的伝送の特徴付け。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゼロのチェーン数を有するトポロジカル絶縁体を古典的音響系で実現できるか？
• RQ2 音響系で時間反転対称性をどのように破れば、非再帰的エッジ輸送を可能にするか？
• RQ3 フォノニクス構造において、ロバストで欠陥に強く影響されない一方向音響伝播を実験的に実証できるか？
• RQ4 高Qファクター共振子は、実現可能な回転速度で有効な時間反転対称性の破れをどのように可能にするか？
• RQ5 音響チェーン半導体におけるエッジ状態は、構造的欠陥からの散乱に対してどの程度トポロジカルに保護されているか？

主な発見

• 実験系は、時間反転対称性を破り、音響バンド構造に非ゼロのチェーン数を誘導する安定的かつ均一なメタフラッド流れバイアスを達成した。
• 境界で一方向の非再帰的音響輸送が観測され、方向性励起下では前方方向へのみ伝送が発生した。
• さまざまな欠陥由来の散乱に対してもエッジ状態がロバストであったため、トポロジカル保護が確認された。
• 高Qファクター共振子により、実験的に実現可能な回転速度で有効な時間反転対称性の破れが可能となり、機械的要件が低減された。
• 系はバルク状態とエッジ状態の明確な区別を示し、エッジモードが境界に沿って一方向に伝播した。
• 実験結果は、音響におけるチェーン絶縁体相の理論的予測と一致しており、測定された伝送スペクトルおよび空間的場の分布によって裏付けられた。