近日，南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在非厄米高阶拓扑声子晶体研究中取得了重要进展。研究人员在二阶拓扑声子晶体结构中引入非厄米增益和损耗因子，成功观测到拓扑角态和边界态的能量增强或衰减，并通过调节非厄米因子实现了对声局域强度的灵活调控。
近年来，高阶拓扑绝缘体(HOTI)的概念引起了广泛关注，其不同于传统拓扑绝缘体，能够支持更低维度的拓扑态，如一维边界态或零维角态。而非厄米拓扑材料通过引入增益和损耗元件，带来了新的独特物理效应。课题组曾在理论上率先提出，将非厄米性与声学二阶拓扑绝缘体(SOTI)相结合，可实现声学拓扑角态局域能量的有效调节[Phys. Rev. Lett. 122, 195501 (2019)]。然而，如何在实际声学结构中引入增益与损耗因子，从而实现对声学角拓扑态的灵活调控，仍然是一个亟待解决的关键问题。
为此，研究人员首先设计了具有增益和损耗特性的声学共振结构。如图1所示，他们使用碳纳米管(CNT)膜作为热声激励源，通过控制流经CNT膜的电流来调节腔体结构中的非厄米因子γ，实现了腔体模式在厄米(γ= 0)、等效增益(γ> 0)和等效损耗(γ> 0)之间的切换。基于上述腔体结构，进一步构建了如图2(a)-(c)所示的声学SOTI，并研究了其在厄米系统下的能带结构与拓扑性质。如图2(d)-(i)所示，研究人员实验测量了该结构不同模态(包括体态、边界态和角态)的频响曲线，并展示了对应模态的声压场分布，验证了对应拓扑态在频域和空间分布上的特点。
随后，研究人员设计了两种不同非厄米因子分布模式的SOTI：对角分布和平行分布，从而实现了非对称的声场局域化特性。通过调节非厄米因子γ，研究人员观察到不同模态的声压分布变化。如图3所示，在对角分布非厄米因子的条件下，角态的声局域强度随着γ的变化而增强或衰减，而体态和边界态的声强则相对稳定。引入平行分布非厄米因子的情况如图4所示，此时，随着γ的变化，角态和部分边界态(E1和E3)的声强出现增强或衰减趋势，而体态和另一组边界态(E2和E4)的强度则保持相对稳定。
该研究提出了一种通过增益和损耗因子实现声学非厄米SOTI的实验方案，并成功验证了非厄米拓扑态独特的声场分布特性。这一成果为非厄米与高阶拓扑效应的研究及其在声能量收集、声信号处理等领域的应用提供了新的思路。相关研究成果于2024年11月6日以《Engineering Higher-Order Topological Confinement via Acoustic Non-Hermitian Textures》为题发表在国际权威期刊Advanced Materials上(Adv. Mater. 2024, 2406567)。南京大学物理学院2022届博士胡博伦为第一作者，张志旺副教授、程营教授、刘晓峻教授及西班牙马德里材料研究所Johan Christensen研究员为共同通讯作者。该项研究得到了人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学硏究中心的支持，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省自然科学基金的资助。
图 1声学非厄米共振腔示意图
图 2厄米系统下的声学SOTI
图 3引入对角分布非厄米因子的声学SOTI
图 4引入平行分布非厄米因子的声学SOTI
