随着声学超材料研究的发展，利用其构造出在天然材料中难以实现的复杂物理现象已经成为声学研究领域的热门方向。这些物理现象也可以为设计声学功能器件提供前景可观的新思路，拓扑物理便是其中之一。科学家们理论证明了无论是对于电子波还是经典波，拓扑晶体都支持高空间局域性，无耗散、免疫缺陷的边界态，因此可被用从构造具有鲁棒性的声学空间滤波器，高品质共振腔，分束器等，进而实现声波的定向输运、能量俘获及信息传递。
拓扑声子晶体的设计往往基于在倒空间中分析高对称点的声场模式，其设计依赖研究人员的经验，缺少统一的方案。为解决这一问题，中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室的博士研究生张鹏与导师杨军研究员、贾晗研究员从实空间拓扑表示理论出发，与武汉大学刘正猷教授、华南理工大学陆久阳副教授合作，首次在声学体系中基于万尼尔函数分布构造了支持多维度拓扑界面态的声子晶体。相关研究成果于在线发表于国际学术期刊Physical Review Applied（IF = 4.931）。
研究人员首先从具有四重旋转对称性的正方晶格出发，利用实空间的声场能量分布和倒空间能带的高对称点指标之间的对应关系，仅需在正空间中考虑耦合的共振腔的几何位置便可设计具有特定拓扑性质的周期单元。进而将这些周期单元组合得到支持多维界面态的声子晶体。随后实验证实了拓扑界面态声场的局域赝自旋极化属性，并据此表征了多维度拓扑界面态的输运性质，测量得到的一维界面态在宽频范围内(0.5-1.6 kHz)均可实现，测得的高阶拓扑角态则具有良好的空间局域性。
该研究有望应用于声学功能器件设计及宽带声场控制等研究领域。相关研究思路也可被推广到电磁波、弹性波等其他经典波系统中。
该研究得到了广东省重点领域研究开发项目(No.2020B010190002)、国家自然科学基金(No.11890701, No.11874383, No.12104480, No.11974005)、中国科学院声学研究所前沿探索项目(No.QYTS202110)的资助。
图1 基于万尼尔构型实现声学拓扑能带（图/中国科学院声学研究所）
图2 万尼尔构型及其诱导的拓扑界面态的实验和仿真（图/中国科学院声学研究所）
图3 拓扑界面态的声学表征。(a) 仿真计算及(b) 实验测量得到的拓扑界面态的声压场分布(1.4 kHz)。(c)仿真计算（中图）与实验测量（放大图）得到的声赝自旋场分布。（图/中国科学院声学研究所）
关键词：
声学超材料 拓扑界面态 万尼尔构型
参考文献：
Peng Zhang, et al., Multidimensional Interface Topology Induced by Acoustic Wannier Configurations. Physical Review Applied 18 064094 (2022) DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.064094.
论文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.064094