聲子晶體中的聲谷態(tài)輸運(yùn)

 

由于周期結(jié)構(gòu)中波動(dòng)行為的相似性，谷狀色散關(guān)系也常在經(jīng)典波人工晶體中出現(xiàn)。自上世紀(jì)80 年代末以來，光波、聲波等經(jīng)典波在周期性人工結(jié)構(gòu)中的奇異傳播行為引起了人們的廣泛關(guān)注。類比于原子構(gòu)成的微觀晶體，這些人工結(jié)構(gòu)被稱為光子晶體或聲子晶體。其主要特點(diǎn)在于，當(dāng)波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)周期可比擬時(shí)，在其中傳播的經(jīng)典波會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的布拉格散射，從而產(chǎn)生頻率帶隙。通過在這些人工晶體中引入點(diǎn)、線、面缺陷，人們發(fā)現(xiàn)了各種缺陷態(tài)、波導(dǎo)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典波的過濾以及受限傳播等。與此同時(shí)，周期結(jié)構(gòu)的散射導(dǎo)致通帶的性質(zhì)也顯著不同于均勻介質(zhì)，從而產(chǎn)生大量新奇的光、聲傳播特性，例如負(fù)折射、零折射效應(yīng)等。此外，一些有趣的量子波動(dòng)效應(yīng)也相繼在這些經(jīng)典體系中被發(fā)現(xiàn)，例如安德森局域化、布洛赫振蕩、Zitterbewegung振蕩等。鑒于人工晶體的宏觀特性，結(jié)構(gòu)單元的幾何對(duì)稱性及單元之間的耦合強(qiáng)度靈活可控，最近這些經(jīng)典波體系也被視為檢驗(yàn)或?qū)崿F(xiàn)拓?fù)湮锢淼牧己闷脚_(tái)。

 

最近，我們將谷態(tài)的概念引入到二維聲子晶體中，揭示其渦旋屬性并探討激發(fā)選擇定則。具體地，聲子晶體由正三角形散射體按六角晶格排列而成，旋轉(zhuǎn)散射體可以產(chǎn)生不同的晶體對(duì)稱性。對(duì)于某些特定的散射體取向，聲子晶體可以支持狄拉克錐狀色散；而對(duì)于更一般的散射體取向，狄拉克簡(jiǎn)并打開并形成聲谷態(tài)。研究表明，聲谷態(tài)可以通過兩種不同的方式選擇性激發(fā)，即平行動(dòng)量守恒機(jī)制和角量子數(shù)匹配機(jī)制。不同于凝聚態(tài)體系，產(chǎn)生、探測(cè)純的谷電子極化態(tài)通常需要其他外場(chǎng)的協(xié)助(如應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)等)，聲波體系的谷態(tài)可以直接由特定頻率的外來聲場(chǎng)激發(fā)，并通過探測(cè)晶體內(nèi)外的聲場(chǎng)分布直接表征谷極化的純度。有趣的是，聲谷態(tài)攜帶谷相關(guān)的渦旋特征，為調(diào)控聲場(chǎng)提供了新的自由度。類似于谷電子攜帶軌道磁矩，聲谷態(tài)也攜帶軌道角動(dòng)量，這在標(biāo)量聲學(xué)中尤其有意義，因?yàn)樗�缺乏�?nèi)稟的極化角動(dòng)量。值得一提的是，通過激發(fā)谷態(tài)，人們可以方便地獲取晶格式的聲渦旋場(chǎng)，從而突破傳統(tǒng)上用復(fù)雜聲源陣列制作渦旋的能力。進(jìn)一步考慮到聲和物質(zhì)之間的相互作用，這種渦旋晶格將開啟新的應(yīng)用，如非接觸地排列、旋轉(zhuǎn)操控微顆粒。

 

基于谷態(tài)概念，我們進(jìn)一步研究了聲子晶體中的邊緣態(tài)拓?fù)漭斶\(yùn)行為。對(duì)于電子體系，邊界拓?fù)涔容斶\(yùn)已經(jīng)引起了人們的強(qiáng)烈興趣。其中代表性的體系為外電場(chǎng)下的雙層石墨烯結(jié)構(gòu)：通過調(diào)控層間的堆垛方式及外電場(chǎng)的取向，可以產(chǎn)生不同的谷霍爾絕緣體，進(jìn)而在不同絕緣相的邊界預(yù)測(cè)、觀察受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)。對(duì)于二維聲子晶體，我們發(fā)現(xiàn)谷霍爾相變可以簡(jiǎn)單地通過旋轉(zhuǎn)正三角形散射體產(chǎn)生，并進(jìn)一步證實(shí)不同谷霍爾相的晶體界面確實(shí)可以支持聲波的谷拓?fù)漭斶\(yùn)。數(shù)值結(jié)果表明，聲波可以幾乎無散射地通過任意彎曲的晶體界面。類似研究可推廣到其他人工晶體中，例如光子晶體等。