基于时间调制的声波在拓扑超材料上的传播

在物理学和工程学方面的一项突破中，来自纽约大学研究生院高级科学研究中心(CUNY ASRC)的光子学倡议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。这一进展使研究人员可以沿着拓扑超材料的边界传播声波，而不会有波向后传播或被材料缺陷阻碍的风险。发表在“科学进展”杂志上的这项新发现，将为开发更便宜、更轻、电池耗电量更少、可以在恶劣或危险环境下工作的设备铺平道路。CUNY ASRC光子学倡议创始主任、CUNY研究生院物理学教授Andrea Aluu和博士后助理研究员倪翔与佐治亚理工学院的Amir Ardabi和Michael Leamy一起撰写了这篇论文，他说，这篇论文的作者是佐治亚理工学院的阿米尔·阿达比(Amir Ardabi)和迈克尔·利米(Michael Leamy)。

拓扑场检查不受连续变形影响的对象的特性。在拓扑绝缘体中，电流可以沿着物体的边界流动，这种流动可以抵抗物体缺陷的干扰。超材料领域的最新进展已经扩展了这些特征，以遵循类似的原理来控制声音和光的传播。

特别值得一提的是，阿卢实验室和纽约城市物理学院教授亚历山大·哈尼卡耶夫(Alexander Khanikaev)之前的工作利用几何不对称在3-D打印的声学超材料中创造了拓扑秩序。在这些物体中，被证明只能沿着物体的边缘和尖锐的角落传播，但有一个明显的缺点：这些波没有完全受到约束-它们可以向前或向后传播，但具有相同的特性。这种效果固有地将这种方法的整体健壮性限制在声音的拓扑顺序上。某些类型的无序或缺陷确实会向后反射沿物体边界传播的声音。

这项最新的实验克服了这一挑战，表明时间反转对称破缺，而不是几何不对称，也可以用来诱导拓扑秩序。使用这种方法，声音传播变得真正单向，并且对无序和缺陷具有很强的鲁棒性。

结果是拓扑物理的突破，因为我们已经能够显示出从时间变化中出现的拓扑顺序，这与基于几何不对称的拓扑声学的大量工作相比是不同的，也是更有利的。以前的方法固有地需要通过其反射的反向通道的存在，这固有地限制了它们的拓扑保护。利用时间调制，我们可以抑制反向传播，并提供强有力的拓扑保护。

研究人员设计了一种装置，由一组圆形压电谐振器组成，排列成重复的六边形，就像蜂窝格子一样，并粘合在聚乳酸的薄盘上。然后，他们将其连接到外部电路，外部电路提供中断的时间调制信号。

作为额外的好处，他们的设计考虑到了可编程性。这意味着它们可以沿着各种不同的可重构路径导波，损耗最小。阿卢说，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一进步中受益。更多信息：基于合成角动量偏差的可重构Floquet弹性动态拓扑绝缘体，科学进展(2020)。