[논문 리뷰] Demonstration of Dynamic Topological Pumping Across Incommensurate Acoustic Meta-Crystals

Wenting Cheng, Emil Prodan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 28.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 외부 동기화 없이, 조정 가능한 포지온 자유도를 통해 비정기적인 음향 메타결정에서 자율적인 동적 위상학적 펌프를 구현함을 보여준다. 이 시스템은 외부 동기화 없이 제어 가능한 위상학적 보호를 받는 에지 간 에너지 전달을 가능하게 하며, 위상학적 주파수 영역에서만 측정 가능한 신호를 보이며, 고전적이고 재구성 가능한 플랫폼에서 위상학적 에지 모드의 강건성을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 배치 변형의 외부 동기화 제어가 필요 없이 고전적이고 재구성 가능한 시스템에서 동적 위상학적 펌프를 실현하고자 한다.
• 조정 가능한 포지온 자유도를 지닌 비정기적인 음향 메타결정이 자율적으로 애디아바틱 사이클을 지원할 수 있음을 입증하고자 한다.
• 통제된 주파수 자극 하에 에지 간 위상학적 모드 전파를 측정하여 실제 물리적 시스템에서 위상학적 에지 모드 전달을 검증하고자 한다.
• 반대쪽 에지에서 신호의 유무를 관찰하여 위상학적과 비위상학적 주파수 영역을 구분하고자 한다.

제안 방법

• 빠르고 주기적으로 조절 가능한 포지온 자유도를 지닌 비정기적인 음향 메타결정을 사용한다.
• 외부 보조 또는 동기화 없이도 애디아바틱 사이클을 유도하기 위해 포지온을 고속 주기적으로 구동한다.
• 위상학적 금지 밴드 간격 내 주파수로 메타결정의 한 쪽 에지를 자극하여 에지 모드 자극을 탐색한다.
• 마이크로폰을 사용해 반대편 에지에서 신호 탐지를 측정하여 동적 에너지 전달을 확인한다.
• 위상학적 및 비위상학적 주파수 범위 간의 신호 반응을 비교하여 위상학적 기여를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 동기화 없이 고전적 비정기적인 음향 메타결정에서 동적 위상학적 펌프를 달성할 수 있는가?
• RQ2 포지온 자유도가 위상학적 펌프에 적합한 자율적 애디아바틱 사이클을 가능하게 하는가?
• RQ3 실제 실험 설정에서 위상학적으로 보호된 에지 간 에너지 전달이 관측 가능한가?
• RQ4 반대편 에지에서의 신호 탐지로 위상학적과 비위상학적 주파수 영역을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 동기화 없이도 위상학적 에지 모드를 통해 메타결정 전체를 아우르는 자율적 동적 에너지 전달이 성공적으로 구현되었다.
• 자극 주파수가 위상학적 금지 영역 내에 있을 경우, 동적 펌프 과정을 시작하자마자 반대편 에지에 마이크로폰으로 신호가 즉시 탐지되었다.
• 자극 주파수가 비위상학적 영역에 있을 경우 반대편 에지에서 신호가 탐지되지 않아, 에지 모드 전달의 위상학적 보호가 확인되었다.
• 포지온 자유도가 시스템을 빠르고 주기적으로 애디아바틱 사이클로 구동시켜 외부 간섭 없이도 펌프 과정을 촉진시켰다.