声传输上的突破

近日，华南理工大学梅军教授、南京大学卢明辉教授课题组在声拓扑通讯研究方面取得重要进展，提出了一种受赝自旋和谷自由度双重保护的拓扑边界态。这种边界态在具有鲁棒性的同时更搭载了两种自由度所蕴含的信息。该研究有助于实现声的稳定传输以及多路复用技术。相关成果以《Robust and High-Capacity Phononic Communications through Topological Edge States by Discrete Degree-of-Freedom Multiplexing》为题发表在国际期刊《Physical Review Applied》上，［PHYS.REV.APPLIED 12，054041（2019）］并被选为编辑推荐。

研究背景

近年来，量子拓扑绝缘体在经典系统中类似现象的研究引起了广泛的关注，拓扑光学和拓扑声学绝缘体，分别在电磁波，声波和弹性波系统中被发现和证实。通过调控结构单元的空间和时间反演对称性，研究人员已经在经典系统实现了不同离散自由度（DOF）的创建和有效操控，从而对量子自旋霍尔效应（QSH）和量子谷霍尔效应（QVH）在经典系统中类似的物理效应进行了深入的研究。其中，拓扑声子绝缘体的出现为弹性波操纵和能量传输提供了前所未有的机会。

另一方面，稳定、高容量的声波通信对于诸如海洋地质学和结构无损检测等工业部门来说是必不可少的，因此，提高弹性波信号的信息容量和频谱效率是学术界和工业界的长期目标。传统的方法是应用不同的复用方式来增加信息通道，例如波长复用，偏振复用和轨道角动量（OAM）复用。然而，现有的多路复用方法不可避免地受由环境和材料本身缺陷引起的背散射的影响，这大大降低了数据传输效率甚至会破坏不同信息信道之间的正交性。

在该研究工作中，研究人员在有意设计的弹性平板中实现了基于拓扑边界态的具有鲁棒性的声通信。在充分考虑了弹性波极化和模式杂化的复杂性的前提下，研究人员构建了量子自旋霍尔效应（QSH）和量子谷霍尔效应的声类似体系。由于自旋-谷锁定机制，沿不同拓扑类之间界面上传播的边界态受到赝自旋和谷自由度的共同保护，因此构成了受拓扑保护的信号通道。这些边缘状态不仅不容易受缺陷影响，而且离散自由度的多路复用增加了额外的维度，从而显着增加了声通信的信息容量。该研究提出了一种在拓扑声学中发现新型传输现象的新方法，并且为未来可能的大规模声子电路和网络提供了基础。

创新研究

在该工作中，研究人员通过构建同时具有反演对称性和z=0平面镜面对称性的梁柱式六角晶格，在倒空间K及K’点处实现了四重简并的二重狄拉克锥。在简并点处的两个本征态分别是两个对称（S）模式和两个反对称（A）模式，以此可以有效地模拟凝聚态物理中电子的真实自旋。当晶格关于z=0平面的镜面对称性被破缺时（SU和SD晶格），由于自旋轨道耦合，量子自旋霍尔效应型带隙在每个波谷周围被打开，同时A模式和S模式通过线性组合成为赝自旋向上和赝自旋向下。而当晶格的反演对称性被破缺时（VP和VQ晶格），量子谷霍尔效应型带隙在波谷周围被打开，此时，波印廷矢量不同的旋转方向定义了不同的谷态。通过调节参数使两种带隙的中心频率尽可能重叠，当两种不同拓扑类型的晶格拼接在一起时，会界面处产生具有鲁棒性的边界态。

图文速览

图1.晶格设计，能带以及对应的透过率

研究人员以3D打印构建模型，验证了其在边界处以及在大角度转角下免疫背散射的特性。更进一步，在边界附近存在大量随机缺陷的情况下，由spin-valley双重自由度保护的波导在保持了受量子自旋霍尔效应保护波导的缺陷免疫特性的同时，蕴含了不同谷自旋的信息。

图2.不同波导以及对应的实验场图和透过率

另一方面，谷自由度（谷K和K’）可用于模拟通信中的信号位（逻辑0和1），因此基于非平庸拓扑的分束器对于实际应用是有用的。研究人员设计了一个箭头形分束器，它由四个域组成：两个是QVH型（VP和VQ），另一个是QSH型（SU和SD）。通过对拓扑滤波器的选择，可以控制弹性波中蕴含的谷信息，从而控制端口的通断。

图3.分束器以及对应的实验场图和透过率

该研究提出了一种在拓扑声子学中发现新型传输现象的新方法，为实现声的稳定传输以及多路复用技术提供了可能。