谷声学和拓扑声学
完成单位:武汉大学

支撑项目(平台):人工微结构教育部重点实验室

参与单位:武汉大学

所属学科:物理学

主要贡献者:刘正猷

成就简介:刘正猷所带领的研究团队长期研究声学人工结构材料中的新颖声学传输特性,以第一作者或通讯作者身份在Science(1篇)、Nature(1篇)Nature Physics(2篇)、Phys.Rev.Lett(8篇)等学术期刊发表研究论文180余篇。以下着重描述近5年的研究成果

  近年来侧重于声子晶体中的拓扑物态研究,取得一些创新性研究进展,研究结果发表Nature等顶级学术期刊上。这些研究成果被国际同行广泛认可,多次被Nature、Physics World等权威学术期刊、学术媒体进行亮点报道。下面予以简单介绍:
  (1)提出“声谷学”概念,为操控声场提供新自由度
  理论发现声谷态具备涡旋场的特征,其手性和传播方向互相锁定;实验证实位相场具备拓扑稳定性、抗噪音能力非常强。类似于电子中的内禀电荷、自旋在电场、磁场中的可识别性响应,声谷态可选择性地激发和操控,从而为调控声场提供了全新的自由度。相关工作(PRL 2016)被选为Editors’Suggestion,并受国内外学术期刊、新闻媒体的广泛报道。例如,顶级物理期刊《Nature Physics》以“Sound out”为题将这项研究作为亮点报道,特别提到“尽管标量声学缺乏自旋等价物,谷电子学概念的延伸为操控声波提供了额外的方式”;欧洲物理学会权威新闻网站《Physics World》也以“Sounding off about valleytronics”为题做了专题报道。
  (2)理论提出并实验观察到声谷态的边界拓扑输运效应
  基于谷涡旋态的研究,进一步发现涡旋手征性还和散射体的取向有关。我们将拥有不同取向的声子晶体进行组装,理论预测并实验观察到了受对称性拓扑保护的边界态,即声波在弯曲路径中传播几乎不被散射。科学上,该研究提供了一种结构极其简单、易于调控的宽带声拓扑材料;应用上,基于拓扑边界态优异的抗散射特性,可预期在声集成通信等方面的应用。这项工作(Nat.Phys.2017)的原创性和重要性获得了审稿人的高度肯定,国家自热科学基金委网站、知社网等做了专题访谈。这项工作也被列为年度高被引论文和热点论文。
  (3)理论提出并实验发现外尔声子晶体拓扑表面态的负折射效应
  我们首次实验观察到声子晶体中的Weyl点以及相应的拓扑表面态,进而实现对拓扑表面输运的调控,发现拓扑负折射现象、证实声波在折射过程中不受界面的反射。研究表明,抗反射能力来自于表面态等能曲线(类比于费米弧)的开放特性。这项工作(Nature 2018)受到学术同行的广泛关注和正面肯定。例如,新加坡南洋理工大学张柏乐教授在Nature期刊“News and Views”栏目撰文认为“这项工作提供了第一个实际使用费米弧的例证,这是目前凝聚态体系重点探索的目标之一”。
  (1)Phys. Rev. Lett. 116, 093901 (2016).
  (2)Nat. Phys. 13, 369-374 (2017).
  (3)Phys. Rev. Lett. 120, 116802 (2018).
  (4)Phys. Rev. Lett. 120, 246601 (2018).
  (5) Nature 560, 61-64 (2018).

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