近日，北京理工大学大学宇航学院朱睿教授联合美国密苏里大学黄国良教授在弹性表面波拓扑输运研究方面取得新进展。相关成果以“Smart patterning for topological pumping of elastic surface waves”为题，在Science Advances上发表[Sci adv (2023) 9, eadh4310]。北京理工大学宇航学院朱睿教授和美国密苏里大学黄国良教授为论文的共同通讯作者。北京理工大学宇航学院博士研究生胡洲为论文的共同第一作者，完成了论文的样品制备和实验测试部分。该研究工作得到了国家自然科学基金委的资助。
拓扑输运是一种传输拓扑态的波动现象。它需要刻意设计系统参数随着时间变化的函数，使得波从局域在一侧的拓扑边界态到体态，再到局域在另一侧的拓扑边界态的传播。拓扑输运具有传播时不受材料的无序和缺陷的干扰的特点，具有广阔的应用前景。尽管大量的拓扑输运系统已经通过时间调制系统参数实现，然而由于需要施加时变的外部物理场或主动物理场，动态控制的拓扑输运在不同物理体系的实现仍是一个巨大的挑战。另一方面，弹性表面波的调控在抗震减灾、无损检测、无线通讯，信号处理等方面具有重要意义，但目前还没有弹性表面波的拓扑输运。
时间和空间作为系统自变量，具有时空对偶性。这启发我们可以通过将时间维度替换空间维度（又称合成维度），将难以实现的时间变化系统转变为容易实现的空间变化系统。在本论文中，研究人员采用这种思想，通过构造空间调制的合成维度，巧妙地设计了一个弹性表面波的拓扑输运系统。该系统是一个表面装饰有弹性柱阵列的弹性体，其核心是通过空间几何调制弹性柱之间的连接高度，使其刚度满足空间慢速变化，优点是将空间几何调制作为额外自由度，代替了外部物理场。此外，为了更简单但又能抓住物理本质地描述该体系，研究人员采用了微分方程的紧束缚模型近似理论，建立了弹性柱和磁场中电子的集体动力学之间的联系，发展了WKB分析方法，解析地预测了弹性表面波的拓扑输运模式。研究人员采用数控铣加工方式制备了一个铝制样件，并通过实验验证了弹性表面波的边-体-边的拓扑输运现象。此外，研究人员通过数值仿真验证了该体系对于无序和缺陷的免疫性，并且设计了一种表面波分波装置。
上述研究能够推广到更高维度的拓扑介质，为设计弹性表面波的拓扑输运物理系统提供了理论支撑。此外，上述现象可能能够应用到声表面波器件中，实现稳定，抗干扰的声表面波器件，并且应用于无限通讯和信号处理中。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adh4310