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拓扑声学人工结构领域取得了重要进展。研究团队设计并制备了一种基于富勒烯C540分子结构的三维球形声学超材料，并成功探测到五边形缺陷处的拓扑局域态。
拓扑相变和拓扑缺陷是凝聚态物理学中的重要研究方向，尤其对于具有特殊几何结构和电子特性的材料。富勒烯(如足球烯C60)由于其独特的闭笼状分子结构，与平面结构的石墨烯碳基材料相比，具有不同的物理特性，这引发了广泛关注。富勒烯结构通常由多个五边形和六边形碳环构成，其几何特性使其能够展现特殊的拓扑性质。然而，尽管相关拓扑性质已有理论研究，但在实验中探讨三维拓扑缺陷仍面临技术挑战。拓扑声学超材料作为一种可精确设计和调控的人工材料，成为研究拓扑相变的新型平台。
如图1所示，研究团队通过切割和重新拼接二维平面石墨烯，引入多个五边形位错缺陷，形成了三维富勒烯球体结构。结构中的周期性破缺和重新拼接形成了等效规范场。基于规范场理论的计算，预测在拓扑非平庸系统中，局域于五边形处的近零能拓扑保护缺陷态数目为六个。团队利用空气腔体管道结构构建了这一声学等效模型，设计并制造了这种复杂的闭笼状球形声学类富勒烯C540(如图2a所示)。该结构由12个五边形和260个六边形组成。
为进一步研究拓扑缺陷态的特性，研究团队通过调节耦合管参数控制耦合强度变化，在声学富勒烯C540结构中引入了Kekulé扰动并进行本征频谱分析(如图2b所示)，成功观察到局域于五边形处的拓扑保护缺陷态。图2c的声强分布图显示，随着耦合比例减小，拓扑缺陷态的局域性显著增强，声能在特定频率下更集中地局域于缺陷所在的五边形处。如图3a-e所示，研究团队通过在声学实验系统中进行扫频测量，并与仿真结果进行对比，验证了体带带隙中拓扑保护缺陷态的存在。此外，仿真和实验结果表明，在结构的整体对称性作用下，六个零能级附近的拓扑保护缺陷态场分布呈现中心对称与反对称两种特性(如图3f-h所示)。
这一基于富勒烯实空间拓扑属性的拓扑保护缺陷态研究不仅限于声学系统，还可扩展至其他波动系统，为在较大的尺度上模拟纳米材料中的拓扑效应提供了全新的实验平台，有助于加深对复杂材料结构中拓扑缺陷的理解。此外，研究团队还观察到此结构对外界声源展现出优异的高指向性响应特性，有望为设计三维空间声传感提供新思路。该成果以“Visualizing the topological pentagon states of a giant C540 metamaterial”为题于2024年11月7日发表于《自然通讯》(Nature Communications 15, 9644, 2024)。南京大学为第一作者单位和第一通讯单位，南京大学物理学院23届博士毕业生廖丹薇、西班牙马德里材料研究所博士生张靖怡、南京大学物理学院博士生王朔辰为共同第一作者，张志旺副教授、程营教授、刘晓峻教授以及西班牙马德里材料研究所Johan Christensen研究员为共同通讯作者。其他合作者还包括西班牙马德里科学材料研究所Alberto Cortijo研究员、María A. H. Vozmediano教授，以及西班牙马德里纳米科学研究所Francisco Guinea教授。该项工作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，并获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目资助。
图1：平面石墨烯通过切割粘合形成富勒烯球体示意图。
图2：(a) 声富勒烯C540由空腔和连接管组成。 (b) 通过调节管道参数引入Kekulé扰动并计算本征频谱变化。(c) 不同耦合关系下局域于五边形处的拓扑保护缺陷态的声强分布图。
图3：(a) 实验装置图。(b-e) 声压频谱图以及拓扑缺陷态场分布图的仿真与实验结果。(f-h) 中心对称与中心反对称零能拓扑缺陷态的仿真与实验结果对照。
