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1878年，瑞利勛爵觀察到一種非常著名的現象——聲波在倫敦圣保羅大教堂彎曲的走廊上蔓延。這些波在一個封閉的環境中有效地散射，幾乎沒有衍射，并在超聲疲勞和裂紋測試中發現了應用，以及在使用二氧化硅微尺度環面對納米顆粒或分子的光學傳感中。

最近，研究的重點集中在探索具有聰明的增益和損失匹配，促進單向不可見和特殊點的奇異特性的非厄米特系統。同樣地，物理學中使用非平凡對稱保護相位的拓撲絕緣體的浪潮，已經為重塑高度非常規的道路奠定了基礎，從而實現聲音和光的穩健和無反射引導和轉向。

在此，來自南京大學的Zhiwang Zhang &程營&劉曉峻和西班牙馬德里卡洛斯III世大學的Johan Christensen等研究者報道了，使用由碳納米管薄膜裝飾的熱塑性棒制成的聲速晶體構建了拓撲廊道絕緣體，它通過電熱聲耦合作為聲速增益介質。相關論文以題為“Non-Hermitian topological whispering gallery”于2021年09月29日發表在Nature上。

在非厄米特環境下理解拓撲相已經成為凝聚態物理、冷原子物理、經典光學和聲學等許多研究領域的一個蓬勃發展的領域。具體地說，努力的動機是尋求擴展在非厄米特設置中沒有厄米特對應的排他拓撲相。

其中最受歡迎的例子是非厄米特皮膚效應，非常規非布洛赫體邊界對應和拓撲激光器。拓撲激光器在應用方面是一個很有吸引力的領域，當與光學活性介質結合時，拓撲抗邊緣狀態(對缺陷和制造缺陷具有強大的抵抗力)將被設置為激光。激光器從根本上是非厄米的，但由于在有源Su Schrieffer Heeger陣列、耦合環形諧振器、激子極化絕緣子和拓撲光子晶體中添加了拓撲成分，最近獲得了前所未有的好處。

在增益介質中為聲波創造非厄米性是非常具有挑戰性的，更不用說等效激光了；然而，使用適當增益電路或壓電半導體的聲電效應的揚聲器可以完成這項工作。然而，一個更靈活和可調諧的方法是采用熱聲學，其中波動焦耳加熱轉換成聲音，例如，當交流電應用于導體。這種電-熱-聲耦合，在碳納米管(CNT)薄膜中已被證明是非常有效的，因為它們的熱電容和熱慣性較低，允許產生寬帶和高壓聲波

在此，研究者使用由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)棒制成的三角形聲波晶體構建了一個回音廊道(WG)絕緣體，該晶體能夠沿著其界面維持拓撲谷邊緣狀態，并由底層晶格對稱保護。谷自由度最初用于凝聚態物理，但后來在人工晶格中得到了應用，在人工晶格中，谷間距散射的抑制，使得光或聲的強大而緊湊的引導得以實現。

為了使聲谷邊緣狀態變為“激光”狀態，需要通過聲增益介質實現拓撲晶格，這是研究者通過在絕緣體棒周圍粘貼碳納米管薄膜實現的。實驗測量揭示了WG模式手性是如何被打破的——也就是說，研究者通過適當地調整電強加的非厄米性，在順時針(CW)和逆時針(CCW)共振中分裂對稱。這些拓撲WG模式，不僅通過其復雜的邊緣狀態圍繞封閉的聲絕緣體旋轉，而且還演示了在可聽頻率下對放大和聚焦聲發射進行耦合的能力。預計，將來這些發現，將促進無損檢測和聲學傳感的發展。

南大又發Nature！同一學院，9月第2篇，實至名歸！

圖1 具有聲增益的聲拓撲絕緣體的復帶圖

圖2 裝配與非厄米特相工程

圖3 拓撲WG模式分裂

圖4 放大拓撲WG模式路由

綜上所述，研究者利用碳納米管薄膜的電-熱-聲耦合，作為聲谷-霍爾晶格的增益介質，建立了非厄米拓撲邊緣態。在此基礎上，研究者設計了一種低語通道諧振器，其傳統的簡并諧振是模分裂的，并通過印在增益元件上的相位來控制。在拓撲穩健的環境中，聲音的放大轉向和引導可以改善聲通信系統。當縮放到微米和納米尺度時，寬帶蜂窩通信網絡中的機電濾波有潛力利用非厄米千兆赫拓撲。此外，將聲波晶格與碳納米管薄膜相結合，可有助于工程主動控制。

該工作建立了晶體層狀材料的層間旋轉，可作為固體系統中工程定向熱傳輸的一個新自由度。

據了解，這已是南京大學本月的第2篇Nature正刊了，更讓人驚訝的是，這兩篇同時出自南大物理學院，不愧是國內實力前幾的學院，實力之強，實至名歸！

文獻信息

Hu, B., Zhang, Z., Zhang, H. et al. Non-Hermitian topological whispering gallery. Nature 597, 655–659 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03833-4

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03833-4#citeas

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