物理与工程学的重大突破：保持声波的完整性

时间：2022-05-01 12:25:03 来源：

该实验首次证明了时间调制产生的强拓扑顺序，为改进使用表面声波技术的超声成像，声纳和电子系统铺平了道路。

作为物理和工程学的一项突破，来自纽约市立大学毕业生中心高级科学研究中心的光子学计划的研究人员和佐治亚理工学院的研究人员首次展示了基于时间调制的拓扑顺序。这一进步使研究人员能够沿着拓扑超材料的边界传播声波，而不会产生声波向后传播或被材料缺陷阻碍的风险。

这项新发现发表在《科学进展》杂志上，将为使用电池电量更少，可以在恶劣或危险环境下工作的更便宜，更轻便的设备铺平道路。CUNY ASRC光子学计划的创始理事和CUNY研究生中心的物理学教授AndreaAlù以及博士后研究助理Xiang Ni以及佐治亚理工学院的Amir Ardabi和Michael Leamy都是本文的作者。

拓扑领域检查不受连续变形影响的对象的属性。在拓扑绝缘体中，电流可以沿着对象的边界流动，并且这种流动可以防止被对象的瑕疵中断。超材料领域的最新进展已将这些功能扩展为遵循类似原理来控制声音和光的传播。

特别是，来自Alù和纽约市城市学院物理系实验室的先前工作，亚历山大·哈尼卡耶夫（Alexander Khanikaev）教授使用几何不对称性来创建3D打印声学超材料的拓扑顺序。在这些物体中，声波被限制在物体边缘和尖角附近传播，但有一个明显的缺点：这些波并没有完全被限制-它们可以以相同的属性向前或向后传播。这种影响从本质上将这种方法的整体鲁棒性限制在声音的拓扑顺序上。某些类型的混乱或缺陷确实会向后反射沿着对象边界传播的声音。

这项最新的实验克服了这一挑战，表明时间逆向对称性破坏（而不是几何不对称性）也可以用于引发拓扑顺序。使用此方法，声音传播真正成为单向的，并且对紊乱和瑕疵具有很强的鲁棒性

“结果是拓扑物理学的突破，因为我们已经能够显示出时间变化产生的拓扑顺序，这与基于几何不对称的大量拓扑声学工作相比，是不同的，而且更具优势，”Alù说。“以前的方法固有地要求存在一个后向通道，通过该通道可以反射声音，这固有地限制了它们的拓扑保护。通过时间调制，我们可以抑制向后传播并提供强大的拓扑保护。”

研究人员设计了一种装置，该装置由圆形压电谐振器阵列构成，这些谐振器排列成重复的六边形（例如蜂窝状晶格），并粘结到聚乳酸薄盘上。然后，他们将其连接到外部电路，该外部电路提供了时间调制信号，打破了时间反转对称性。

另外，它们的设计允许可编程。这意味着它们可以沿着各种不同的可重构路径引导波，而损失最小。Alù说，使用表面声波技术的超声成像，声纳和电子系统都可以从这项进步中受益。

参考：“基于合成角动量偏置的可重构Floquet弹性动力拓扑绝缘体”，作者Amir Darabi，项妮，Michael Leamy和AndreaAlù，2020年7月17日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.aba8656

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