[论文解读] Acoustic Valley-Hall Edge States in phononic elastic waveguides

Ting‐Wei Liu, Fabio Semperlotti|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Earthquake Detection and Analysis被引用 2

一句话总结

本文通过应变工程的谷霍尔效应，在声学拓扑边缘态的声子弹性波导中提出了一种拓扑保护的边缘模式，即使时间反演对称性被保留，也能在畴壁处实现。通过调节应变场，系统可实现对边缘态传播的动态控制，从而在声学系统中实现鲁棒、无能隙的传输。

ABSTRACT

This study investigates the occurrence of acoustic topological edge states in a 2D phononic elastic waveguide due to a phenomenon that is the acoustic analogue of the quantum valley Hall effect. We show that a topological transition takes place between two lattices having broken space inversion symmetry due to the application of a tunable strain field. This condition leads to the formation of gapless edge states at the domain walls, as further illustrated by the analysis of the bulk-edge correspondence and of the associated topological invariants. Although time reversal symmetry is still intact in these systems, the edge states are topologically protected when inter-valley mixing is either weak or negligible. Interestingly, topological edge states can also be triggered at the boundary of a single domain if boundary conditions are properly selected. We also show that the static modulation of the strain field allows tuning the response of the material between the different supported edge states.

研究动机与目标

• 探索在不破坏时间反演对称性的情况下，声学弹性波导中拓扑边缘态的出现机制。
• 研究破坏反演对称性与应变诱导的拓扑相变在实现边缘态中的作用。
• 在声学系统中验证体-边缘对应关系与拓扑不变量。
• 证明通过适当的边界条件，可在单畴边界处激发边缘态。
• 通过静态应变调制实现对边缘态行为的动态调谐。

提出的方法

• 利用可调应变场，设计具有破坏反演对称性的二维声子晶格。
• 施加应变场，诱导两种不同晶格相之间的拓扑相变。
• 利用谷陈数等拓扑不变量分析系统的能带结构与边缘模式。
• 通过拓扑不变量与畴壁处无能隙边缘态存在的关联，验证体-边缘对应关系。
• 通过模拟与分析，检验边缘态在谷间散射与边界条件变化下的鲁棒性。
• 通过静态应变场调制，展示边缘态响应的可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不破坏时间反演对称性的情况下，在声学系统中实现声学拓扑边缘态？
• RQ2 应变诱导的反演对称性破缺如何导致声子晶格中的拓扑相变？
• RQ3 当谷间混合微弱或可忽略时，边缘态的保护程度如何？
• RQ4 拓扑边缘态能否在单畴边界处存在，其条件是什么？
• RQ5 能否通过静态应变调制动态调节边缘态的传播特性？

主要发现

• 由于应变诱导的拓扑相变，两个反演对称性破缺晶格之间的畴壁处出现拓扑边缘态。
• 当谷间混合微弱时，即使时间反演对称性被保留，边缘态仍为无能隙且拓扑保护。
• 通过拓扑不变量与边缘模式存在的关系，确认了体-边缘对应关系。
• 当边界条件适当设计时，可在单畴边界处激发边缘态。
• 静态应变调制可实现系统在不同边缘态构型间响应的动态调谐。
• 由于拓扑保护，系统支持鲁棒的单向边缘传输，即使在结构扰动下亦保持稳定。