文章导读
你正在为声波器件的信号干扰问题头疼不已，传统波导中哪怕最微小的结构缺陷都会导致信号严重衰减。但西安交大团队刚刚在《先进科学》发表的研究，把拓扑声学从二维平面推向了三维空间——这个突破不是简单扩展维度，而是通过一个巧妙的“夹层设计”直接剥离了干扰最大的纵波成分。更关键的是，他们在这个双层结构中发现了两种截然不同的边缘态：一种能在层间自由转换，另一种则严格保持层极化。这种可控性为高容错声学器件铺平了道路，但真正让人好奇的是：这个看似简单的夹层结构，究竟是如何同时实现波束分离和信号稳定的？
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声子是固体中弹性波和流体中声波的量子化激发。由于其波长与电磁波相当，且频率与电子电路兼容，光子和声子可以在集成电路内有效地耦合。声子学在现代信息技术中发挥着关键作用，广泛应用于射频信号处理、导航、传感、无损检测、波导、信息处理以及先进的军事和技术系统。然而，传统波导中的弹性波传输在存在结构缺陷和无序的情况下，不可避免地会受到背向散射的影响。
近年来，受凝聚态物质中拓扑绝缘体发现的启发，人们致力于将拓扑概念引入弹性波系统，这些系统支持鲁棒的边缘模式。弹性波拓扑绝缘体很大程度上局限于二维单层结构，导致弹性波工程应用性能受限。相比之下，将弹性波拓扑绝缘体扩展到三维可以实现更高性能的弹性波器件，为光子-声子耦合电路的小型化和片上集成铺平道路。
双层弹性波拓扑绝缘体中的层间转换及波束分离特性
针对上述挑战，西安交通大学机械学院研究团队将弹性波拓扑绝缘体的研究扩展到二维平面法线方向上的双层区域。同时，在弹性波结构中实现有效模型具有固有的挑战性，这源于其全矢量特性以及纵波和横波分量之间复杂的耦合。通过夹紧双层结构的上下突出端面来消除纵波的影响，从而实现对结构内横波的直接控制。基于这种边界配置，团队设计并制造了支持两种不同类型边缘态的双层弹性结构，即层混合边缘态和层极化边缘态—这些边缘态源于额外的层自由度。这个双层平台可作为探索弹性波系统中拓扑物理的通用测试平台，并为先进应用（如高容错性的层间转换器和分束器）开辟了新的途径。
该研究成果以《双层弹性拓扑绝缘体的实现》（Realization of a Bilayer Elastic Topological Insulator）为题发表在国际权威期刊《先进科学》（Advanced Science）上。西安交通大学为本文第一通讯单位，西安交通大学机械工程学院博士生马承志为本文第一作者，西安交通大学的吴九汇教授和南洋理工大学Baile Zhang教授、Zheyu Cheng为通讯作者。以上工作得到国家留学基金委及国家自然科学基金支持。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202523416
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