[发明专利]基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体

说明书

本发明公开了一种基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体，谷拓扑绝缘体包括晶胞单元，晶胞单元由正六边形载体和具有三叶草状散射体的结构组成，且三叶草状散射体的中心和正六边形载体的中心重合。本发明结构加工制备简单，应用范围广，可望为以结构较简单的单结构设计多频段多功能的声拓扑器件提供了思路和方法。

技术领域

本发明涉及声学超构材料的拓扑边界态、声拓扑绝缘体偶然简并双重点、谷拓扑效应、声传播调控，尤其涉及一种基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体。

背景技术

凝聚态物理最令人感兴趣的进展之一是发现了一种被称为拓扑有序态的新物质状态。拓扑简单来说就是形状不同，拓扑等价。拓扑态都是在电子材料中首次被观测到，最初被认为与电子的费米-狄拉克统计密切相关。因为声速比光速低几个数量级，声子信息处理在比光子系统更小的波长和更强的声子-声子相互作用等方面具备独特优势。由此产生的慢群速度和高态密度增强了后向散射，使声子系统比光子系统更容易受到无序影响。普通材料之间声阻抗的巨大反差进一步促进了无序的后向散射。声子晶体由于其缺陷和结构可控、制备和观察方便等特点，成为实现和测试拓扑声学的理想平台。拓扑声学的发现不仅让人们重新认识了声传输现象，也拓展了声波调控器件的设计方法，引起了人们对声波领域拓扑的研究兴趣。

晶体中电子除了内禀自旋自由度，还存在着能谷自由度，其中能谷为能带结构中的极值点。刘正猷与邱春印等人将电子体系中能谷态概念引入到二维声子晶体中，并且在具有不同声谷霍尔相的两种声子晶体组成的界面上实现了声拓扑谷态输运。张柏乐等人在六方晶格的声子晶体构成的拓扑波导中实现了类似的边缘态，同样可以支持声拓扑谷态输运。陆久阳等人在双层声子晶体结构中，利用层间耦合和正三角形散射体转角的变化，观测到双层声子晶体中的谷拓扑相。基于谷态的拓扑边缘态由于具有声传输的后向散射抑制，免疫缺陷等特性受到广泛关注，已被广泛用于设计各种基于声波的器件，如声延迟线和鲁棒可编程波导。然而,现有的声拓扑绝缘体大多局限于单一工作频带,在设计多频带声学器件方面仍然存在着很大的挑战。

基于此，本发明设计了一种基于三叶草状散射体的蜂窝状拓扑结构单元。通过调整蜂窝状结构单元的结构参数，声子晶体在布里渊区的K点处同时存在多个线性的狄拉克简并点，通过旋转三叶草状散射体，打破结构镜面对称性，从而打开狄拉克点处的简并，可实现多通道的声通信，这为利用单结构设计多频段多功能的声拓扑器件提供了思路和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体，所述谷拓扑绝缘体包括晶胞单元，所述晶胞单元由正六边形载体和具有三叶草状散射体的结构组成；，且三叶草状散射体的中心和正六边形载体的中心重合。

所述晶胞单元的晶格常数a，三叶草状散射体半径R，旋转角度为θ,其中R0.5a。

所述的基于三叶草状散射体的多频带谷拓扑绝缘体，所述三叶草状散射体为刚体，三叶草状散射体之间的空气密度p＝1.21Kg/m³，声速c＝343m/s。刚体表示三叶草状散射体采用的是硬质材料，可以为金属、合金等。

晶胞单元的晶格常数a＝10mm，通过调整三叶草状散射体的结构参数在K点频率为18.6KHz，38.8KHz，53.3KHz处得到确定性的简并点。此时三叶草状散射体对应的结构参数，R＝3.5，θ＝0°。通过旋转三叶草散射体，打破结构镜面对称性，从而打开狄拉克点处的简并，得到了具有声学赝自旋和拓扑边界态的结构。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：