[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文通过在具有洛伦兹互易性破缺的角动量偏置共振器阵列中打破时间反演对称性，首次实验实现了声学陈绝缘体（ACI）。利用高Q因子共振器实现稳定、均匀的超流体流动偏置，该系统在边界处实现了对缺陷和散射具有拓扑保护的鲁棒、单向非互易声传输，标志着经典拓扑声学领域的重要进展。

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.

研究动机与目标

• 在具有非零陈数的声学系统中实现拓扑绝缘体，以实现鲁棒的单向声传输。
• 克服时间反演对称声学拓扑系统中自旋伪态间和谷间背向散射的限制。
• 通过角动量偏置共振器在经典声学系统中打破时间反演对称性，以诱导非互易传输。
• 在实际且实验可行的装置中，展示边缘态对缺陷和散射的拓扑保护。
• 为非互易器件和声学中新型拓扑相打开新途径。

提出的方法

• 通过设计具有角动量偏置的二维共振器阵列，以打破洛伦兹互易性。
• 利用高Q因子共振器，降低实现有效时间反演对称性破缺所需的旋转速度。
• 设计超流体流动偏置，以在声学系统中诱导规范场。
• 通过调节共振器几何形状和耦合方式，实现能带结构中的非平庸陈数。
• 在不同缺陷条件下，实验测量声波传输和边缘态传播特性。
• 通过在边界处定向注入和检测声波，表征非互易传输特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在经典声学系统中实现具有非零陈数的拓扑绝缘体？
• RQ2 如何在声学系统中打破时间反演对称性，以实现非互易边缘传输？
• RQ3 能否在声子结构中实验演示鲁棒、抗缺陷的单向声波传播？
• RQ4 高Q因子共振在实现可行旋转速度下的有效时间反演对称性破缺中起到何种作用？
• RQ5 在声学陈绝缘体中，边缘态在多大程度上能抵抗结构缺陷引起的散射？

主要发现

• 实验系统实现了稳定、均匀的超流体流动偏置，打破了时间反演对称性，并在声学能带结构中诱导出非零陈数。
• 在边界处观察到单向非互易声传输，定向激励下仅在正向方向发生传输。
• 边缘态对多种缺陷引起的散射表现出鲁棒性，证实了其拓扑保护特性。
• 高Q因子共振器使在实验可行的旋转速度下实现有效时间反演对称性破缺成为可能，降低了机械要求。
• 系统清晰区分了体态与边缘态，边缘模态沿边界单向传播。
• 实验结果与声学中陈绝缘体相的理论预测一致，通过测量的传输谱和空间场分布得到验证。