从全局到局部的界面与角态控制

《International Journal of Mechanical Sciences》:Global-to-Local Control of Interface and Corner States

【字体: 时间:2026年02月08日 来源:International Journal of Mechanical Sciences 9.4

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  二维声学超材料中,通过全局结构调控(调整单元尺寸和旋转)与局部界面重构相结合的策略,实现了拓扑界面态(ISs)和高阶拓扑角态(HOTCSs)的主动控制。全局调控可调节ISs带宽并诱导HOTCSs,而局部界面修改能精确调控ISs频率并选择性激发/抑制角态。有限单元仿真验证了该框架在有限结构中实现任意输出定位和异向传输的潜力。

  
Jiao Wang|Nan Gao|Weiqiu Chen
北京工业大学非线性振动与机械结构强度重点实验室,中国北京,100124

摘要

拓扑保护界面态(ISs)具有固有的鲁棒性,在局部扰动下仍能保持稳定的波传播。虽然这种鲁棒性保证了系统的稳定性,但也给主动控制带来了挑战。在这里,我们提出了一种设计策略,该策略结合了全局配置调整和局部界面重构,以操控二维(2D)声学超材料中的ISs和更高阶拓扑角态(HOTCSs)。全局调制可以重构整个结构,从而调整界面带宽并控制HOTCSs的存在。相比之下,局部重构仅修改界面区域,同时保持全局结构不变,从而能够精确调节界面态频率,并选择性地激发或抑制角态(CSs)。将局部调制区域纳入有限结构中,建立了一个多功能的波控制框架,包括在相反激励下实现任意输出定位和不对称传输。有限元模拟(FES)验证了这种方法的有效性,展示了其在拓扑声学系统中高度灵活的波操控潜力。这些结果为具有可控ISs和CSs的可调谐和可重构声学系统建立了一个通用设计框架。

引言

由于其能够定制色散关系和打开带隙,声子晶体及其设计的声学/弹性超材料已被广泛研究用于先进的波控制[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。带隙工程一直是波物理学的核心,它不仅用于抑制波传播,还为非常规现象提供了平台——在带隙内的孤立色散分支可以产生局域态、平带甚至拓扑保护模式[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。传统方法(如调节晶格对称性、单元格几何形状和元素间耦合)已被广泛用于塑造带结构[[13], [14], [15], [16], [17]],而引入局部谐振器或结构缺陷可以实现高度限制的状态和增强的能量局域化[[18], [19], [20]]。最近,智能和可重构超材料的发展进一步扩展了这一范式,通过外部刺激(包括机械应变、电场或磁场以及热调制)实现了可调带隙和自适应波导[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。这些进展共同为波操控奠定了一个多功能的基础,并为与拓扑波物理学新兴方向相交叉和丰富的新功能开辟了道路。同时,人们越来越关注将吸收、损耗和非厄米效应纳入声学和弹性超材料中,从而实现宽带声音吸收、异常点诱导的波控制以及混合拓扑-非厄米现象[[29], [30], [31]]。
拓扑物理学最初源于量子系统,现已成功扩展到经典波平台,如光子学[[32], [33], [34], [35], [36], [37]]、声学[[38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45]]和弹性[[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53]],为强大的波操控提供了有力工具[[54], [55], [56], [57], [58], [59], [60]]。在这些经典波领域中,非平凡的拓扑带结构支持受保护的界面/边缘态,这些态对后向散射和结构缺陷具有免疫力,从而实现了高度可控且抗缺陷的波传播[41,42,[61], [62], [63]]。这些独特属性推动了波导设计、能量局域化以及新型拓扑器件的实现[[64], [65], [66], [67], [68], [69]]。在此基础上,更高阶拓扑绝缘体(HOTIs)的概念应运而生,为超越传统界面态(ISs)的波局域化开辟了新的可能性[[70], [71], [72], [73], [74], [75], [76], [77], [78], [79]]。通过降低拓扑模式的维度,HOTIs在二维(2D)[80,81]和三维(3D)[82,83]系统中促进了能量的局域化。在2D声学超材料中,这些角态(CSs)通常位于界面态和体态之间的带隙内[84,85],表现出更强的空间局域化特性,使其在声能聚焦、振动隔离和多尺度波控制应用中具有前景[78,86]。
更高阶拓扑角态(HOTCSs)的出现和稳定性受到几何配置(如角形状)的强烈影响。这些依赖性为实现既鲁棒又可调的高阶态带来了重大挑战。现有研究主要依赖于全局结构修改——如改变单元格几何形状、角角度或整体尺寸——来操控CSs的存在和光谱特性[[87], [88]]。然而,从工程角度来看,这种整体调节往往效率低下,因为即使是微小的功能调整通常也需要完全重新制造整个样品,导致制造成本增加。此外,尽管主动控制机制提供了实时可调性,但它们增加了系统复杂性并需要外部电源。
为了解决这些限制,我们提出了一种从全局到局部的渐进式框架,用于控制拓扑ISs和CSs。全局配置调整重塑了界面带结构,并决定了体态和ISs之间的光谱关系,这反过来又决定了CSs是否能在有限结构中存在。一旦建立了这种全局条件,仅通过全局调节就无法在不改变整个结构的情况下进一步操控波。在这种情况下,局部界面重构提供了一种替代的、更灵活的方法来控制固定平台内的波传播。通过结合全局结构调节和局部界面工程,我们实现了对2D声学拓扑系统中ISs和CSs的主动控制。本文的结构如下:第2节介绍了模型和方法论,包括结构设计、仿真框架以及用于表征色散和拓扑特性的特征频率谱分析。基于这一基础,第3节研究了全局结构修改,考察了单元格几何形状的变化和旋转调整。这两种类型的修改揭示了如何调节ISs的频率范围以及在什么条件下CSs可能出现或消失。第4节专注于仅针对界面的局部调节,其中仔细设计了专用界面区域的配置,而不改变体格子。这种方法实现了ISs频率的精确调节,并能够有效激发更高阶的CSs。第5节将分析扩展到有限结构,展示了如何利用定制的界面配置进行波操控和能量局域化。最后,第6节总结了主要发现,强调了结合全局和局部结构控制的优点,并讨论了对自适应拓扑器件和基于波的信息处理的更广泛影响。

部分摘录

模型和方法论

本节介绍了用于研究声学拓扑态的结构模型和数值方法。我们首先介绍了Y形钢棱柱晶格的单元格几何形状及其对称特性,强调了棱柱方向的变化如何导致带隙打开和拓扑相变。随后,构建了两种代表性配置——周期性超胞和有限三角形结构——作为后续分析的基础,

通过全局结构变化调节拓扑态

在本节中,我们研究了全局结构变化如何控制2D声学超材料中拓扑ISs和CSs的出现和演变。第3.1节重点讨论了棱柱尺寸的调节,其中几何参数l的变化改变了ISs的频率范围,并可能在有限结构中诱导CSs的形成。第3.2节研究了旋转和交换I型和II型单元格的效果,展示了这种配置变化如何重塑带结构

仅通过局部界面调节拓扑态

本节研究了通过局部界面重构来控制ISs和CSs。虽然第3节讨论的全局结构调节为定义拓扑相提供了坚实的基础,但其缺乏空间灵活性——需要修改整个晶格——限制了其在按需波操控中的适用性。为了解决这个问题,这里引入了界面重构作为一种更灵活的策略。通过仅在

基于定制界面的有限结构中的波操控

由于拓扑保护,拓扑ISs本质上具有鲁棒性,使其传播对局部扰动不敏感。传统上,控制它们的属性(如传输路径或频率范围)需要对有限结构进行全局几何修改。在本节中,我们展示了仅通过定制界面几何形状就可以有效操控有限结构内的波传播和输出位置。值得注意的是,这种方法

结论

本研究系统地研究了两种用于控制声学超材料中拓扑ISs和CSs的设计策略。首先,通过全局结构调节——通过调整钢棱柱的几何形状和交换具有不同拓扑相的单元格——我们实现了对色散特性的精确控制。这种方法有效地调节了ISs的带宽,并使CSs从之前不存在的配置中出现。对超胞色散的分析表明
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