一种温度可调的声学拓扑绝缘体

技术领域

本发明属于声学超材料领域，具体涉及一种温度可调的声学拓扑绝缘体。

背景技术

声学人工材料(包括声子晶体和声学超材料)的出现为声波、弹性波的调控提供了新的手段。声学人工材料是人为设计的复合结构，通过设计不同的结构单元，可以获得许多自然材料所不具备的特殊物理性质，比如带隙、负等效质量、负等效模量等。随着对声学人工材料的研究逐渐深入，研究学者们尝试着将其与其他多种学科相融合。近几年来，将凝聚态物理中的拓扑相引入声学人工材料受到了众多学者的关注。

然而传统的声学拓扑绝缘体在结构设计完成后不具有带隙可调的性质，因此无法满足不同工作环境的要求，限制了其应用范围。另外，现有研究已经发现热环境对弹性波的传播及拓扑特性会产生一定影响，但其研究角度主要从热环境对材料物理属性的影响出发。考虑热应力对声学拓扑绝缘体能带特性影响的研究较少，且尚未看到同时考虑热应力和材料物理属性对其拓扑特性的调控研究。

发明内容

本发明的目的是以钨-环氧树脂构建的二维二组元蜂窝状声子晶体为研究对象，数值研究了考虑热应力作用时其能带特性演变规律。利用调控环境温度打开Γ点处的四重狄拉克点简并，实现声子晶体的拓扑相变，构建一种温度可控的声学开关，通过环境温度实现对其拓扑态频率范围和拓扑界面的调控，实现了对拓扑态的非接触式主动调控。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种温度可调的声学拓扑绝缘体，由若干个规则六边形蜂窝状晶格组成，每个规则六边形蜂窝状晶格中包括六个附加配重。

进一步的，所述规则六边形蜂窝状晶格的边长a＝12mm。

进一步的，所述六个附加配重位于所述规则六边形蜂窝状晶格的六个顶点。

进一步的，所述附加配重为边长为w的等边三角形，其中，边长w＝4.6mm。

进一步的，所规则六边形蜂窝状晶格由金属钨和聚氨酯构成，其中，所述聚氨酯的密度r

进一步的，所述金属钨的杨氏模量与温度相关。

进一步的，通过调控环境温度可以使若干个规则六边形蜂窝状晶格形成的能带发生翻转实现拓扑相变，并且可以控制带隙的位置和宽度。

进一步的，通过改变温度可以调节金属钨和聚氨酯形成的界面态。

本发明的技术效果：

本发明研究了二维二组元蜂窝状结构组成的可调声学超材料，通过调节环境温度可以打开Γ点处的四重狄拉克点简并，使能带发生翻转从而实现了拓扑相变。基于体-边界对应原则，利用拓扑相变的两种类型原胞结构构建了二维超胞，在不改变结构的情况下，仅改变温度能够动态调节超胞的色散关系，可以对界面态出现的位置实现有效调控。另外还可实现界面态从无到有的调节，表现出声开关的效应。本发明为界面态在可调滤波器、多通道滤波器方面的实际应用提供可靠的参考。

附图说明

附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1示出了本发明的声学超材料Ⅰ结构示意图及对应能带示意图；

图2示出了本发明的声学超材料Ⅰ在不同温度下结构能带示意图；

图3示出了本发明的Γ点处简并本征态对应的位移场分布示意图；

图4示出了本发明的带隙边界频率随温变的变化曲线示意图

图5示出了本发明的声学超材料结构Ⅱ(t＝0.04mm)不同温度下能带的演变规律示意图；

图6示出了本发明的6(a)超原胞结构示意图，(b)本征频率随温度的变化情况示意图；

图7示出了本发明的ΔT＝70℃和ΔT＝-70℃时拓扑超原胞投影能带图；

图8示出了本发明的ΔT＝-70℃和ΔT＝70℃时声开关传输情况。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例所提出的二维二组元蜂窝状结构单元如图所示1(a)所示。该结构是由六个金属臂组成的规则六边形蜂窝状晶格(边长为a＝12mm，边宽为t)，六个附加配重(图中虚线所围的边长为w的等边三角形区域)位于六边形的顶点,其中，w＝4.6mm,晶格常数

本发明采用COMSOL Multiphysics的固体力学模块来计算该声子晶体中弹性波的能带结构和位移场分布。在求解体(边缘)能带色散关系时，在单胞(超胞)的周期表面施加Floquet周期性边界条件。图1(b)为声学超材料Ⅰ在室温下(20℃，即△T＝0℃)的能带结构，此时六边形边宽t＝0.164mm时。可以清楚地看到其带隙在43.85kHz处闭合，形成四重偶然简并的狄拉克点，此时,在布里渊区中心表现出双狄拉克锥特征。

温度对声学能带的影响

由以往的研究中可知，对于固定结构的声学拓扑超材料，其相应的拓扑带隙不具有可调性。另外环境温度对结构固有振动特性、动响应也有着不可忽视的影响。因此，接下来了对声学拓扑超材料的能带特性在不同环境温度下的演变规律进行了研究。图2给出了该声学超材料在不同温度△T＝-70℃和△T＝70℃的能带结构图。从图中可以看出，温度的变化使得狄拉克点的四重简并态分裂为两个二重简并态并形成拓扑完全禁带，其在Γ点上的简并本征态由蓝点和红点标记。这些二重简并态对应的位移场分布如图3所示，可以发现，对于△T＝-70℃，在禁带上方的二重简并态为为赝自旋四极子模态(d态),禁带下方的为赝自旋偶极子模态(p态),表现为拓扑平庸相。而△T＝70℃时，禁带仍然存在，但p态和d态的能带位置发生了反转，即在禁带上方的二重简并态为d态,禁带下方的为p态，变现为拓扑非平庸相。这意味着，通过温度的变化可使能带反转并诱导拓扑相变。

为了进一步揭示温度对声学超材料拓扑特性的影响，带隙边界频率随温变的变化曲线如图4所示，其中蓝线和红线分别对应四极子模态(d态)和偶极子模态(p态)。可以发现，温度从△T＝-120℃变化到△T＝120℃时，其能带均向低频引动，带隙经历了从打开到闭合再到打开的过程。当△T<0时带隙是拓扑平庸的，△T>0时带隙是拓扑非平庸的。在△T＝0℃前后，能带的拓扑性质发生了变化。因此通过调控环境温度可以使能带发生翻转实现拓扑相变，并且可以控制带隙的位置和宽度，实现了对拓扑态的非接触式主动调控。

温度对界面态的调节

由于拓扑性质不同的两种材料具有公共带隙时才会存在界面态。于是另外计算了声学超材料结构Ⅱ(t＝0.04mm)不同温度下能带演变规律。从图5中可以看出能带仅表现为拓扑平庸带，且与声学超材料结构Ⅰ存在公共带隙。根据体-边界对应原则，在拓扑非平庸声子晶体与拓扑平庸声子晶体之间的界面处一定存在界面态。如图6(a)所示,构建了一种由声学超材料Ⅰ和Ⅱ组成的超胞。图6(b)展示了整个超胞的频率随温度的变化情况，可以看出△T>0时，界面态存在于体系的公共带隙中，△T<0时，界面态消失。进一步分析可知，△T>0时，超胞中声学超材料Ⅰ的带隙是拓扑非平庸的，而声学超材料Ⅱ的带隙是拓扑平庸的，因此超胞中存在界面态。当△T<0时，超胞两侧的带隙均为拓扑平庸的，因此，界面态将会消失。图7为超胞在ΔT＝70℃和ΔT＝-70℃时沿Γ-K方向的投影能带结构图。可以看出，图6(a)中在频率范围为40.9kHz-41.9kHz的体禁带内出现了一对有带隙的边缘态，分别由红色和蓝色曲线标出。而在图6(b)中仅存在体禁带。因此，在不改变结构的情况下，仅仅通过改变温度就可是使界面态消失和出现，从而实现对界面态的调节。

为了进一步研究其温控效应，构建一种由声学超材料Ⅰ和Ⅱ组成的拓扑声直波导。图7给出了ΔT＝70℃时面外振动的本征位移场,可以看出边缘态很好地局域在两相界面附近,由于在禁带范围内不存在体态传播模式,边缘态在垂直于界面两侧快速衰减。图8给出了ΔT＝-70℃时面外振动的本征位移场,可以看出声波并不能传播。这样，通过改变温度实现了声开关的效应。

结论

本发明研究了二维二组元蜂窝状结构组成的可调声学超材料，通过调节环境温度可以打开Γ点处的四重狄拉克点简并，使能带发生翻转从而实现了拓扑相变。基于体-边界对应原则，利用拓扑相变的两种类型原胞结构构建了二维超胞，在不改变结构的情况下，仅改变温度能够动态调节超胞的色散关系，可以对界面态出现的位置实现有效调控。另外还可实现界面态从无到有的调节，表现出声开关的效应。本文的研究可为界面态在可调滤波器、多通道滤波器方面的实际应用提供可靠的参考。

以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。