[论文解读] Experimental evidence of robust acoustic valley Hall edge states in a topological elastic waveguide

Ting‐Wei Liu, Fabio Semperlotti|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过实验展示了在拓扑弹性波导中具有鲁棒性的声学谷霍尔边缘态，其中在破坏空间反演对称性的晶格之间的畴壁上支持单向边缘模式。相反谷极化的模式之间弱耦合抑制了由无序引起的反向散射，从而实现了通过在畴壁处选择性注入实现高效的手性激发。

ABSTRACT

This paper presents experimental evidence of the existence of acoustic valley Hall edge states in topological elastic waveguides. The edge states are supported by a domain wall consisting of a topological phase transition between adjacent lattices having broken space inversion symmetry. Results show that the edge modes can effectively propagate along domain walls and that disorder-induced backscattering is substantially suppressed do to the weak coupling between oppositely valley-polarized modes. The coupling between valley modes is further investigated and motivated in terms of equivalent spins. This analysis provides deep insight in the coupling mechanism of the edge states hence clarifying the origin of their weak coupling and illustrating the (gauge) correspondence with the quantum spin Hall effect. We also show that the weak coupling between the valleys can be exploited to achieve selective mode injection at the domain wall, hence realizing a very effective chiral edge state excitation.

研究动机与目标

• 证明在拓扑弹性波导系统中存在声学谷霍尔边缘态。
• 研究这些边缘态在无序引起的反向散射下的鲁棒性。
• 探讨谷极化边缘模式之间的耦合机制及其与量子自旋霍尔效应的类比。
• 通过在畴壁处实现谷间弱耦合，实现对手性边缘态的选择性激发。

提出的方法

• 设计具有空间反演对称性破缺的二维弹性波导晶格，以诱导拓扑相变。
• 在两个具有相反谷极化的相邻晶格之间创建畴壁，以承载边缘态。
• 通过实验测量，在各种无序条件下观察畴壁上边缘模式的传播。
• 利用等效自旋模型分析相反谷极化模式之间的耦合，以解释谷间弱耦合的机制。
• 在畴壁处实施选择性模式注入，以证明边缘态的手性激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在拓扑弹性波导中实验观测到声学谷霍尔边缘态？
• RQ2 无序如何影响谷极化边缘模式中的反向散射？
• RQ3 相反谷极化模式之间弱耦合的起源是什么？
• RQ4 谷自由度在实现边缘态的选择性和手性激发方面能达到何种程度？

主要发现

• 实验观测到声学谷霍尔边缘态在拓扑不同的晶格之间的畴壁上鲁棒地传播。
• 由于相反谷极化模式之间的弱耦合，无序引起的反向散射被显著抑制。
• 谷模式之间的耦合机制通过解析方法与等效自旋模型关联，揭示了其与量子自旋霍尔效应的规范对应关系。
• 谷间弱耦合使得在畴壁处能够选择性激发手性边缘态，展示了有效的单向传播。