华中科技大学讯 近日，物理学院祝雪丰教授团队，提出了一种扭转诱导的全平带高阶声学拓扑绝缘体。该工作使用扭转摩尔晶格构建了全平带拓扑绝缘体，相关成果以“Twist-InducedAll-Flat-BandHigher-OrderAcousticTopologicalInsulator”为题发表在Advanced Materials。物理学院博士生凌敏航和武朋为论文的共同第一作者。物理学院祝雪丰教授和彭玉桂副教授为论文共同通讯作者，华中科技大学为论文唯一完成单位。
扭转莫尔超晶格因其独特的几何周期性以及层间布拉格散射效应，在能带工程与拓扑性质调控中展现出巨大潜力，已成为实现新奇物态的重要平台。平带能显著增强电子关联效应，为拓扑超导、关联绝缘体等物态提供了理想载体，因而在电子与玻色子系统（如光子学）中受到广泛关注。在声学系统中，通过散射体或腔体模型可以灵活定制莫尔势，为调控拓扑传输提供了便利。然而，现有研究多侧重于利用整体物理效应构建平带拓扑结构，而基于莫尔周期性本征模式直接实现全平带拓扑的机制尚未被深入探索，尤其是如何从单个腔体共振模式出发，系统性地设计整个晶格的平带拓扑特性，这在声学领域仍是一个挑战。
图1 扭转诱导的全平带系统
研究以21.78°扭转角的声学石墨烯双层结构为平台，通过在特定位置引入层间耦合以形成竞争性相互作用，成功获得了具有驻波特性的全平带结构。定量分析表明，强层间耦合是促成平带形成与拓扑相变的关键因素。该声学扭转莫尔超晶格展现出六个平带及三个拓扑非平凡的带隙，其本征模式涵盖了从单极子到六极子的完整米氏共振。实验上通过三维打印样品验证了体态、边态、角态以及三维铰链态的存在，与仿真结果高度一致。该工作不仅为构建声学全平带拓扑系统提供了一条简洁有效的路径，深化了对扭转莫尔超晶格物理的理解，而且所展示的频率选择传输、高Q谐振及多维拓扑态控制特性，在声能收集、传感、波束分离及滤波等领域具有潜在的应用前景。
图2 三维棱态实验
声镊技术凭借其非接触式操控优势，已在细胞、生物分子等微纳米尺度颗粒操控领域获得广泛应用。然而，传统声镊在复杂非均匀介质（如生物组织、复杂流体）中面临着根本性挑战：声波穿过不同密度、声速的介质时会发生散射、反射、折射和畸变，导致声场紊乱，造成操控失效，成为非均匀复杂介质中实现精准操控的主要障碍。1月1日，祝雪丰教授联合中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、李飞研究员提出了一种在复杂强散射介质中实现精准、动态、稳定声操控的突破性解决方案。相关研究成果以“Demonstration of topological acoustic tweezing for robust mass transport”为题发表在《Science Advances》上。深圳先进技术研究院郑海荣院士和李飞研究员和祝雪丰教授为论文共同通讯作者；深圳先进技术研究院助理研究员黄来鑫、华中科技大学博士研究生向霄（已毕业）与李宗霖（已毕业）为并列第一作者。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校终身教授Yuebing Zheng在Science Advances上同期撰写了特约评论文章（Focus article） “Sound matters: Using acoustics to move material”，认为：Zheng and co-workers present one of the pioneering demonstrations of topological acoustic tweezers. … … The foundational work by Zheng and co-workers offers several promising avenues for future research: system miniaturization and integration, reconfigurable waveguide structures, diversified manipulation modes.
该研究突出性亮点包括：通过引入声学拓扑新物理对结构无序、制造缺陷、环境扰动、背向散射的免疫和鲁棒性优势，在主动设计的拓扑声子晶体中，激发具有“拓扑保护”的局域化谷态驻波场，实现了颗粒沿任意设计轨迹的高精度、空间选择性、可编程的“波浪式”智能定向输运；通过调控入射波相位，利用散射系统中受拓扑保护的驻波辐射力，可在存在拐角、空腔和无序等缺陷条件下实现稳定的高效颗粒操控；通过与传统声子晶体波导对比，以及跨三通道拓扑质量环路实验，进一步凸显了拓扑鲁棒性的声操控优势。该体系的可扩展性与鲁棒性为在生物组织等复杂非均匀介质中维持稳定的操控力场提供了理论基础，也为从根本上解决声镊在复杂、非理想环境中精确稳定合成的难题提供了新范式，对光镊、拓扑物理等相关领域亦具有重要的借鉴意义。
图3: 拓扑质量循环输运
论文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz4301
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