声学超构材料中高阶拓扑相的理论及实验研究

Topological phases of matter with unique topologically-protected and defects-immune edge states have revolutionized the understanding of solid-state materials. Recently, higher-order topological phases, which host topological boundary states in multiple dimensions, have unveiled a new horizon for the study of the topological phases of matter and can potentially be used to realize topologically-protected waveguides in higher dimensions. However, the quest for higher-order topological materials is not straightforward, instead facing certain challenges, such as to determine the general principles for the realization of higher-order topological order and to search for feasible and integratable material platforms facilitating the real application..Acoustic metamaterials, as a type of artificial materials, have developed a strong reputation to be fabricated for any desired structures and to manipulate acoustic waves at free will. This makes them ideal material platforms to explore novel higher-order topological phases of matter. This project will study the general principles to realize higher-order topological phases of matter in acoustic metamaterials, build proper theoretical models and explore feasible and integratable designs that can eventually facilitate the real applications of the higher-order topological materials toward functional acoustic materials and prototyping devices with unique topological properties, such as defect-immune and low transmission loss.

拓扑相和拓扑材料因其特有的受拓扑保护、缺陷免疫的边界态而在过去十年成为凝聚态物理研究的前沿焦点。最近，人们发现一种新型的高阶拓扑相，其支持多个空间维度上的边界态，从而将拓扑材料的研究推向了一个更新的层次。然而由于一些关键问题的存在，高阶拓扑相的研究面临多个挑战，如实现高阶拓扑相的一般性机理是什么，是否能够提出易于批量化和集成化的高阶拓扑相的材料体系等。声学超构材料作为一类人工材料具有优秀的可调及易于控制的特性，使其成为研究新型高阶拓扑相和拓扑材料的理想平台。本项目拟针对声学超构材料中高阶拓扑相的实现展开理论与实验研究，建立描述高阶拓扑态的理论模型，以声学超构材料为基础设计高阶拓扑材料，探究其新物理和新效应，并利用拓扑态的拓扑保护如背散射抑制等特征，研制一系列高阶拓扑材料独有的、对缺陷不敏感的且可集成的新型拓扑材料和和器件。

拓扑物理是凝聚态领域一个新兴的研究方向，不仅在理论上具有诸如体边对应关系、自旋锁定、手征反常等深刻的物理内涵，而且支持受拓扑保护的、抑制缺陷散射、低损耗的边界传播态以及新奇的体输运现象，为克服传统材料中粒子与波在传输过程中的散射和损耗提供了新的可能，在量子信息、热电、光/声等领域有着重大应用前景。.高阶拓扑材料是拓扑研究的新发展。区别于d 维普通拓扑材料（其具有d维的体态及d-1 维的边界态），d 维n 阶拓扑材料不仅支持d-1 维边界态而且支持更低维度（低至d-n 维）的边界态。这类新颖的拓扑材料突破了传统的体边对应关系，受到了科学界的广泛关注。然而由于一些关键科学问题的存在，高阶拓扑的研究面临多个挑战，如实现高阶拓扑相的一般性机理是什么，如何在实际材料中实现高阶拓扑相，高阶拓扑材料有哪些潜在功能和效应等。.针对这些问题，本项目围绕高阶拓扑态展开研究，挖掘和揭示了基于晶格对称性实现高阶拓扑态的三类基本机制，包括基于非平庸体四极极化、非平庸体偶极极化以及多维度的拓扑相和相变，深入分析、反复比较这几种不同的实现机制，构建起描述高阶拓扑态的一般性理论模型；以模型为指导，以声学超构材料为材料平台，基于其可设计性和可调控程度较高的特点，设计和实现了多种类型的高阶拓扑材料，分析对比各类高阶拓扑材料中拓扑边界态的存在形式、表现特征及对应的波传播和调控行为；并在此基础上将高阶拓扑相和多物理自由度（如能谷、非厄米等）结合，进一步探索了高阶拓扑材料丰富而新奇的物理现象、效应以及功能。.本项目的研究既有科学原理的揭示，又有材料的设计以及功能的开发，彼此之间相辅相成，又相互促进深化，解决了高阶拓扑研究中一些关键的科学问题，为其进一步发展奠定了基础。特别的，为新型光/声材料和功能器件的开发开拓了新思路，通过对（高阶）拓扑的深入认识和掌握，有望实现一些传统手段不易实现的、受拓扑保护的且缺陷不敏感的应用，可能的方向包括光/声输运控制、拓扑开关、拓扑激光以及光/声拓扑量子芯片等。