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。