近日，華南理工大學梅軍教授、南京大學盧明輝教授課題組在聲拓撲通訊研究方面取得重要進展，提出了一種受贗自旋和谷自由度雙重保護的拓撲邊界態。這種邊界態在具有魯棒性的同時更搭載了兩種自由度所蘊含的信息。該研究有助于實現聲的穩定傳輸以及多路復用技術。相關成果以《Robust and High-Capacity Phononic Communications through Topological Edge States by Discrete Degree-of-Freedom Multiplexing》為題發表在國際期刊《Physical Review Applied》上，［PHYS.REV.APPLIED 12，054041（2019）］并被選為編輯推薦。

研究背景

近年來，量子拓撲絕緣體在經典系統中類似現象的研究引起了廣泛的關注，拓撲光學和拓撲聲學絕緣體，分別在電磁波，聲波和彈性波系統中被發現和證實。通過調控結構單元的空間和時間反演對稱性，研究人員已經在經典系統實現了不同離散自由度（DOF）的創建和有效操控，從而對量子自旋霍爾效應（QSH）和量子谷霍爾效應（QVH）在經典系統中類似的物理效應進行了深入的研究。其中，拓撲聲子絕緣體的出現為彈性波操縱和能量傳輸提供了前所未有的機會。

另一方面，穩定、高容量的聲波通信對于諸如海洋地質學和結構無損檢測等工業部門來說是必不可少的，因此，提高彈性波信號的信息容量和頻譜效率是學術界和工業界的長期目標。傳統的方法是應用不同的復用方式來增加信息通道，例如波長復用，偏振復用和軌道角動量（OAM）復用。然而，現有的多路復用方法不可避免地受由環境和材料本身缺陷引起的背散射的影響，這大大降低了數據傳輸效率甚至會破壞不同信息信道之間的正交性。

在該研究工作中，研究人員在有意設計的彈性平板中實現了基于拓撲邊界態的具有魯棒性的聲通信。在充分考慮了彈性波極化和模式雜化的復雜性的前提下，研究人員構建了量子自旋霍爾效應（QSH）和量子谷霍爾效應的聲類似體系。由于自旋-谷鎖定機制，沿不同拓撲類之間界面上傳播的邊界態受到贗自旋和谷自由度的共同保護，因此構成了受拓撲保護的信號通道。這些邊緣狀態不僅不容易受缺陷影響，而且離散自由度的多路復用增加了額外的維度，從而顯著增加了聲通信的信息容量。該研究提出了一種在拓撲聲學中發現新型傳輸現象的新方法，并且為未來可能的大規模聲子電路和網絡提供了基礎。

創新研究

在該工作中，研究人員通過構建同時具有反演對稱性和z=0平面鏡面對稱性的梁柱式六角晶格，在倒空間K及K’點處實現了四重簡并的二重狄拉克錐。在簡并點處的兩個本征態分別是兩個對稱（S）模式和兩個反對稱（A）模式，以此可以有效地模擬凝聚態物理中電子的真實自旋。當晶格關于z=0平面的鏡面對稱性被破缺時（SU和SD晶格），由于自旋軌道耦合，量子自旋霍爾效應型帶隙在每個波谷周圍被打開，同時A模式和S模式通過線性組合成為贗自旋向上和贗自旋向下。而當晶格的反演對稱性被破缺時（VP和VQ晶格），量子谷霍爾效應型帶隙在波谷周圍被打開，此時，波印廷矢量不同的旋轉方向定義了不同的谷態。通過調節參數使兩種帶隙的中心頻率盡可能重疊，當兩種不同拓撲類型的晶格拼接在一起時，會界面處產生具有魯棒性的邊界態。

圖文速覽

圖1.晶格設計，能帶以及對應的透過率

研究人員以3D打印構建模型，驗證了其在邊界處以及在大角度轉角下免疫背散射的特性。更進一步，在邊界附近存在大量隨機缺陷的情況下，由spin-valley雙重自由度保護的波導在保持了受量子自旋霍爾效應保護波導的缺陷免疫特性的同時，蘊含了不同谷自旋的信息。

圖2.不同波導以及對應的實驗場圖和透過率

另一方面，谷自由度（谷K和K’）可用于模擬通信中的信號位（邏輯0和1），因此基于非平庸拓撲的分束器對于實際應用是有用的。研究人員設計了一個箭頭形分束器，它由四個域組成：兩個是QVH型（VP和VQ），另一個是QSH型（SU和SD）。通過對拓撲濾波器的選擇，可以控制彈性波中蘊含的谷信息，從而控制端口的通斷。

圖3.分束器以及對應的實驗場圖和透過率

該研究提出了一種在拓撲聲子學中發現新型傳輸現象的新方法，為實現聲的穩定傳輸以及多路復用技術提供了可能。