華中科技大學Nat. Commun.：臧劍鋒團隊在軟材料中觀測到彈性拓撲態

【引言】

近年來，拓撲絕緣體逐漸成為凝聚態物理領域的一個新熱點，被認為是繼石墨烯之后的Next Big Thing。數學中的拓撲概念描述了連續變形的空間，這個概念被用來描述晶體倒空間的能帶，從而研究人員發現了一系列拓撲絕緣體，包括電子，光子，聲子等。拓撲絕緣體的魯棒性在量子計算和通信領域有著潛在應用。彈性拓撲絕緣體發展較為落后，目前的研究主要集中于理論模型（彈簧-振子體系）和仿真計算（FEM等），實驗觀測鮮有報道，這就極大的限制了彈性拓撲絕緣體在彈性波導，振動隔離，彈性儲能方面的應用。此外，現在取得成果的彈性器件，如用于振動隔離彈性超材料大多是用剛性材料制成的，這就造成了器件的功能不可調控且單一。在以前的報道中，軟材料曾被作為調控聲子帶隙的材料，但是其拓撲性質仍然無人知曉。因此，將軟材料和彈性拓撲態結合，用力學方法調控拓撲性質，是一個有科學意義的課題。

【成果介紹】

近日，華中科技大學軟納米材料與器件實驗室的臧劍鋒教授團隊在軟材料彈性拓撲態領域取得突破性進展，在Nature子刊Nature Communications上發表了題為“Observation of Elastic Topological States in Soft Materials”的文章，報道了在軟材料制成的彈性超材料中，用實驗測量和數值計算的方法，觀測到彈性拓撲態，并通過軟材料的可逆力學形變調控彈性拓撲態。研究者用軟材料Ecoflex制作成六角晶格的彈性超材料，首先計算了這種彈性超材料的聲子能帶隨著填充率的變化情況，研究者發現通過調節填充率或者調節應變，在布里淵區高對稱點M點有狄拉克點產生，當填充率或應變偏離此值時，狄拉克點被打開，且兩條能帶的Zak相發生了反轉，從本征場圖中也可以看到反轉現象，這就意味著彈性超材料的彈性拓撲相發生了變化。進一步將擁有兩種不同彈性拓撲相的超材料拼接在一起，就會在界面處形成彈性拓撲態，研究者通過實驗測量和數值計算的方法觀測到了彈性拓撲態，并且吻合良好。由于軟材料模量小易形變的特性，研究者又提出用力學形變來調控彈性拓撲態的方法，即將一邊的超材料固定，另一邊的超材料形變，結果表明隨著應變的增大，拓撲態會從無到有，并且相應頻率逐漸降低。軟材料和拓撲絕緣體的結合開創了柔性拓撲絕緣體的先河，為今后在振動隔離，波導傳輸和宏觀（軟體機器人）、微觀（熱傳導）聲子系統中的應用打下良好的基礎。該項工作的第一作者為科研助理李帥鋒，臧劍鋒教授為通訊作者，其他作者包括華科的趙德剛，牛浩和祝雪豐。

【圖文導讀】

圖一. 拓撲彈性超材料的設計和兩種能帶反轉的過程

a. 由Ecoflex制成的柔性彈性超材料，插圖為拉伸后的形變圖；

b. 柔性彈性超材料結構示意圖；

c. 由左至右，隨著填充率d/R逐漸增大，聲子能帶的變化圖。0和π為能帶的Zak相，?為帶隙符號；

d. 固定d/R=0.68，由左至右，隨著應變逐漸增大，聲子能帶的變化圖。0和π為能帶的Zak相，?為帶隙符號。

圖二. 拓撲相圖?

a. 布里淵區高對稱點M點頻率隨填充率的變化；

b. 拓撲相圖；

c. 圖b中星號處的本征場。

圖三. 數值計算彈性拓撲界面態

a. 數值計算透射的仿真圖；

b. 沿kx方向的投影能帶圖；

c. 橫波和縱波的透射隨頻率和入射角度的變化圖。

圖四. 實驗觀測彈性拓撲界面態及彈性波分束效果?

a. 實驗裝置實物圖及分束效果示意圖；

b. 由低頻到高頻，仿真場圖；

c. 實驗和仿真的彈性拓撲界面態的場圖；

d. 實驗觀測彈性波分束效果。

圖五. 拓撲體系的可調控性?

a. 實現可調節功能示意圖；

b. 彈性拓撲界面態頻率隨應變的變化情況；

c. 橫波透射峰隨應變的變化情況；

d. 拓撲界面態存在于相應的應變-頻率組合情況下，顏色對應于圖b；

e. 彈性拓撲界面態只在一個頻率下存在；

f. 動態形變下測量彈性拓撲界面態的實驗圖。

【小結】

本項研究通過合理設計柔性彈性超材料，運用數值仿真和實驗觀測的方法，展示了可逆的彈性拓撲相和可動態調節的彈性拓撲態，開創了柔性拓撲絕緣體的先例，形變導致的拓撲相變使得實現和動態調節拓撲態成為可能。這種思想還可以延伸至多種尺度，晶格設計也可以更加多樣，以滿足不同的聲子頻率，例如在小尺度的聲子導熱體系和大尺度的柔性機器人領域。本工作由國家自然科學基金，中組部千人計劃以及華中科技大學支持。華中科技大學軟納米材料與器件實驗室網站：www.softnano.org

文章鏈接：Shuaifeng Li, Degang Zhao, Hao Niu, Xuefeng Zhu & Jianfeng Zang, Observation of Elastic Topological States in Soft Materials, Nature Communications,9,1370(2018). https://rdcu.be/K6Da

本文由華中科技大學臧劍鋒團隊提供，特此感謝！

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