近日，華南理工大學梅軍教授、南京大學盧明輝教授課題組在聲拓撲通訊研究方面取得重要進展，提出了一種受贗自旋和谷自由度雙重保護的拓撲邊界態(tài)。這種邊界態(tài)在具有魯棒性的同時更搭載了兩種自由度所蘊含的信息。該研究有助于實現(xiàn)聲的穩(wěn)定傳輸以及多路復(fù)用技術(shù)。相關(guān)成果以《Robust and High-Capacity Phononic Communications through Topological Edge States by Discrete Degree-of-Freedom Multiplexing》為題發(fā)表在國際期刊《Physical Review Applied》上，［PHYS.REV.APPLIED 12，054041（2019）］并被選為編輯推薦。

研究背景

近年來，量子拓撲絕緣體在經(jīng)典系統(tǒng)中類似現(xiàn)象的研究引起了廣泛的關(guān)注，拓撲光學和拓撲聲學絕緣體，分別在電磁波，聲波和彈性波系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)和證實。通過調(diào)控結(jié)構(gòu)單元的空間和時間反演對稱性，研究人員已經(jīng)在經(jīng)典系統(tǒng)實現(xiàn)了不同離散自由度（DOF）的創(chuàng)建和有效操控，從而對量子自旋霍爾效應(yīng)（QSH）和量子谷霍爾效應(yīng)（QVH）在經(jīng)典系統(tǒng)中類似的物理效應(yīng)進行了深入的研究。其中，拓撲聲子絕緣體的出現(xiàn)為彈性波操縱和能量傳輸提供了前所未有的機會。

另一方面，穩(wěn)定、高容量的聲波通信對于諸如海洋地質(zhì)學和結(jié)構(gòu)無損檢測等工業(yè)部門來說是必不可少的，因此，提高彈性波信號的信息容量和頻譜效率是學術(shù)界和工業(yè)界的長期目標。傳統(tǒng)的方法是應(yīng)用不同的復(fù)用方式來增加信息通道，例如波長復(fù)用，偏振復(fù)用和軌道角動量（OAM）復(fù)用。然而，現(xiàn)有的多路復(fù)用方法不可避免地受由環(huán)境和材料本身缺陷引起的背散射的影響，這大大降低了數(shù)據(jù)傳輸效率甚至會破壞不同信息信道之間的正交性。

在該研究工作中，研究人員在有意設(shè)計的彈性平板中實現(xiàn)了基于拓撲邊界態(tài)的具有魯棒性的聲通信。在充分考慮了彈性波極化和模式雜化的復(fù)雜性的前提下，研究人員構(gòu)建了量子自旋霍爾效應(yīng)（QSH）和量子谷霍爾效應(yīng)的聲類似體系。由于自旋-谷鎖定機制，沿不同拓撲類之間界面上傳播的邊界態(tài)受到贗自旋和谷自由度的共同保護，因此構(gòu)成了受拓撲保護的信號通道。這些邊緣狀態(tài)不僅不容易受缺陷影響，而且離散自由度的多路復(fù)用增加了額外的維度，從而顯著增加了聲通信的信息容量。該研究提出了一種在拓撲聲學中發(fā)現(xiàn)新型傳輸現(xiàn)象的新方法，并且為未來可能的大規(guī)模聲子電路和網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

創(chuàng)新研究

在該工作中，研究人員通過構(gòu)建同時具有反演對稱性和z=0平面鏡面對稱性的梁柱式六角晶格，在倒空間K及K’點處實現(xiàn)了四重簡并的二重狄拉克錐。在簡并點處的兩個本征態(tài)分別是兩個對稱（S）模式和兩個反對稱（A）模式，以此可以有效地模擬凝聚態(tài)物理中電子的真實自旋。當晶格關(guān)于z=0平面的鏡面對稱性被破缺時（SU和SD晶格），由于自旋軌道耦合，量子自旋霍爾效應(yīng)型帶隙在每個波谷周圍被打開，同時A模式和S模式通過線性組合成為贗自旋向上和贗自旋向下。而當晶格的反演對稱性被破缺時（VP和VQ晶格），量子谷霍爾效應(yīng)型帶隙在波谷周圍被打開，此時，波印廷矢量不同的旋轉(zhuǎn)方向定義了不同的谷態(tài)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)使兩種帶隙的中心頻率盡可能重疊，當兩種不同拓撲類型的晶格拼接在一起時，會界面處產(chǎn)生具有魯棒性的邊界態(tài)。

圖文速覽

圖1.晶格設(shè)計，能帶以及對應(yīng)的透過率

研究人員以3D打印構(gòu)建模型，驗證了其在邊界處以及在大角度轉(zhuǎn)角下免疫背散射的特性。更進一步，在邊界附近存在大量隨機缺陷的情況下，由spin-valley雙重自由度保護的波導(dǎo)在保持了受量子自旋霍爾效應(yīng)保護波導(dǎo)的缺陷免疫特性的同時，蘊含了不同谷自旋的信息。

圖2.不同波導(dǎo)以及對應(yīng)的實驗場圖和透過率

另一方面，谷自由度（谷K和K’）可用于模擬通信中的信號位（邏輯0和1），因此基于非平庸拓撲的分束器對于實際應(yīng)用是有用的。研究人員設(shè)計了一個箭頭形分束器，它由四個域組成：兩個是QVH型（VP和VQ），另一個是QSH型（SU和SD）。通過對拓撲濾波器的選擇，可以控制彈性波中蘊含的谷信息，從而控制端口的通斷。

圖3.分束器以及對應(yīng)的實驗場圖和透過率

該研究提出了一種在拓撲聲子學中發(fā)現(xiàn)新型傳輸現(xiàn)象的新方法，為實現(xiàn)聲的穩(wěn)定傳輸以及多路復(fù)用技術(shù)提供了可能。