基於拓撲學原理的聲學超材料問世

變形卡格美晶格中極化躍遷的概念及測量。

《自然?材料》（Nature Materials）雜誌2018年12月31日報道，美國紐約市立大學（City University of New York）先進科學研究中心（ASRC）等研究機構的科學家亞歷山大?卡尼卡耶夫(Alexander Khanikaev)和安德里亞?阿盧(Andrea Alu)等開發了一種超材料，使用這種新材料可以構造穩定的聲學結構，使其在存在製造缺陷的情況下，也能以特殊的方式控制聲音的傳播和定位。這可能會對聲波技術的改進有重要意義。例如使聲吶和超聲設備更能抵抗結構缺陷帶來的負面影響。

這項研究的亮點在於，卡尼卡耶夫等將拓撲數學引入了材料科學領域。對物體展開拓撲學研究不會受到連續形變的影響。例如在拓撲學意義上，甜甜圈與塑料吸管是等同的，因為它們都有一個洞，兩者可以通過拉伸和形變相互轉化。在之前的研究中，研究人員利用拓撲學原理，預測並發現了只能在材料邊緣傳導電流的拓撲學絕緣體。拓撲絕緣體非同尋常的導電性能源於其特殊的電子帶隙拓撲結構。它們對無序、雜訊或缺陷等連續變化具有超強的「抵抗力」。阿盧說：「將這些想法從電學擴展到其他領域，尤其是拓撲光子學和拓撲聲學領域，已經引起了很多研究人員的興趣。我們構築的特殊聲學材料，能以非同尋常的方式引導和定位聲音。」

為了製造這種新型聲學超材料，研究小組利用3D列印技術製造了一系列小型三聚體，並將其排列、連接在一個三角形網格中。每個三聚體單元由3個聲學諧振器組成。三聚體的旋轉對稱性和晶格的手性對稱性，賦予了新結構獨特的聲學特性——當聲音以帶隙外頻率傳播時，它可以通過材料的大部分區域。而當聲音以帶隙內頻率傳播時，它只能沿著三角形的邊緣傳播或定位在角上。阿盧認為，新材料的聲學性能不會受到無序化或製造缺陷的影響。

新材料的聲學特性也是可以改變的，研究人員通過降低材料的對稱性，例如改變諧振腔單元之間的耦合，即改變帶隙結構的拓撲結構，就能改變材料的性能。卡尼卡耶夫說：「我們的研究不僅製造了拓撲聲學超材料，還展示了基於3D列印的聲學元件先進位造技術。該技術可以在一個簡單靈活的平台上製造出任意的複雜幾何形狀。這或許可為聲學材料領域帶來顛覆性的認識。近年來，我們正在嘗試使用這種技術設計和製造更複雜的三維超材料，以便進一步改善聲學材料的性能。」

編譯：雷鑫宇

(來源：《自然?材料》)

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