一种超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法

本发明属于声学超构材料的拓扑特性等。

背景技术：

1、声子晶体是人工设计的复合结构，由周期性分布的“原子”(单个声学功能散射)或基质形式的包含物组成。当波通过周期性晶格结构时，构造干涉导致带隙，阻止波以特定频率通过结构传播。因为声子晶体具有较高的设计自由度，成为设计和实验弹性拓扑绝缘体的理想平台。对于声子晶体，其声学性质与磁场效应不敏感,无法像光子晶体那样通过引入磁场来打破结构的时间反演对称性。通过加入旋转的背景气流来打破时间反演对称性,从而得到拓扑结构。同时通过时空调制、耦合共振等方式也可以实现拓扑边界态。此外，通过构造具有特定对称结构的体系，使相应体现的带结构在布里渊区中心或边界产生狄拉克锥，通过旋转超原子等降低对称性的方法，使狄拉克锥打开带隙,进而实现拓扑反转。

2、晶体中电子除了内禀自旋自由度，还存在着能谷自由度，其中能谷为能带结构中的极值点。能谷自由度由于其定义与电子自旋类似，也称为赝自旋。刘正猷将电子体系中能谷态概念引入到二维声子晶体中，并且在具有不同声谷霍尔相的两种声子晶体组成的界面上实现了声拓扑谷态输运。陈延峰等人在铌酸锂晶体上，单片集成地实现了空间拓展的声表面波拓扑边界/传输线。该工作从根本上解决了声表面波拓扑边界与声表面波叉指换能器在空间尺寸上难以匹配的难题，使拓扑声子晶体真正可以实现微波信号传输，通过两种不同谷界面态的研究，不仅在理论上展示谷界面态的声波分束和聚合现象，而且在实验中验证了谷界面态的多通道传输。

3、杨海等人利用zigzag和armchair界面的谷界面态的差异。这不仅实现了交叉波导谷界面态的声波分束聚合现象，并得到了一个可控逻辑门。不仅在理论上展示谷界面态的声波分束和聚合现象，而且在实验中验证了谷界面态的多通道传输，为探索复杂波导中多通道声谷拓扑输运提供了一种有效的方法。基于谷态的拓扑边缘态由于具有声传输的后向散射抑制，免疫缺陷等特性受到广泛关注，已被广泛用于设计各种基于声波的器件，如声延迟线和鲁棒可编程波导。谷霍尔效应和拓扑手性边界态对弹性波传输性质的研究具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于谷态的弹性拓扑超构材料设计方法，同时提供一种可实现超宽带拓扑谷传输的声子晶体弹性板结构是本发明的另一发明目的。

2、基于上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、基于谷态的弹性拓扑超构材料设计方法，包括以下步骤：

4、1)通过在具有一定厚度的底板上周期性排列散射体结构，构造了声子晶体板结构；

5、2)将步骤1)声子晶体板结构在仿真环境中运行，通过对弹性声子晶体板边缘态的调制对其自由度以及背向散射抑制能力进行分析；

6、3)将步骤1)声子晶体弹性板制成实物，并通过实验验证了其免疫缺陷，空穴的鲁棒性。

7、一种可实现超宽带拓扑谷传输的声子晶体弹性板结构，所述声子晶体板蜂窝状拓扑结构单元结构包括均匀分布于同一圆周上的数个晶胞元以及与每个晶胞元内侧相连接的胞元架，胞元架包括数个基架及一个晶胞元，晶胞元与所在圆周的相切点与该晶胞元相接的基架的两侧边的延长线的交点相重合。

8、所述声子晶体板蜂窝状拓扑结构单元结构包括3个相同的呈圆柱结构的晶胞元位于外围，1个呈圆柱结构的晶胞元位于结构中心，3个长方体基架连接中心与外围晶胞元，和一个厚度为h1的底板。

9、晶胞元和胞元架呈h3o化学式状结构。

10、一种弹性拓扑绝缘体形成的声子晶体，包括数组晶胞，每组晶胞由数个呈h3o化学式状结构的绝缘体阵列形成，

11、每组晶胞的旋转角度为θ，θ的范围为-60°～60°。

12、晶胞有2组，2组晶胞的旋转角度不相同。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1)本发明的所设计的弹性拓扑绝缘体，其结构体系具有c3v对称性，在第一布里渊区中的高对称性点上出现带隙闭合引起的确定性简并，旋转声子晶体中的散射体会打破结构对称性，从而实现谷霍尔相变，通过旋转散射体灵活地调节谷赝自旋态，当散射体的旋转角度从-60°向60°顺时针旋转时，带隙经过开-闭-开的过程，发生了能带反转，实现了拓扑相变；

15、2)本发明基于谷态设计的弹性拓扑绝缘体，利用体态-边界态对应原则，通过不同结构体系的连接，构造了边界态来模拟受拓扑保护的边缘弹性波传输，经过一系列的数值仿真发现谷拓扑边缘态能够很好的抑制由缺陷或者无序造成的散射，在边缘态输运的过程中即使遇到缺陷和无序也不会产生背向散射，只能继续向前传播。同时由于本发明所述结构单元具有很宽的非平庸带隙，这使得边界态在免疫缺陷方面具有较高的鲁棒性,从而在测量和实际应用上具有更好的效果。且本发明结构加工制备简单，应用范围广。

16、3)本发明所研究的弹性波体系，其拓扑带隙的相对宽度超过60％，从而在实际应用上具有较大的优势和潜力，为超宽带声学天线、声学逻辑控制等器件的工程应用提供了新思路。

技术特征：

1.超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，所述声子晶体板结构是通过在具有一定厚度的底板上周期性排列散射体构造而成。

3.如权利要求2所述的超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，所述弹性拓扑绝缘体结构晶格常数为a，底板厚度为，散射体高度为。

4.如权利要求3所述的超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，所述弹性拓扑绝缘体结构包括均匀分布于同一圆周上的数个晶胞元以及与每个晶胞元内侧相连接的胞元架，胞元架包括数个基架及一个晶胞元，晶胞元与所在圆周的相切点与该晶胞元相接的基架的两侧边的延长线的交点相重合。

5.如权利要求4所述的超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，所述弹性拓扑绝缘体结构包括3个相同的呈圆柱结构的晶胞元位于外围，1个呈圆柱结构的晶胞元位于结构中心，3个长方体基架连接中心与外围晶胞元，和一个厚度为h1的底板。

6.如权利要求5所述的超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，其特征在于，晶胞元和胞元架呈h3o化学式状结构。

技术总结
本发明公开一种超宽带拓扑谷态传输声子晶体板的设计方法，包括以下步骤：1）通过在具有一定厚度的底板上周期性排列散射体结构，构造了可实现超宽带拓扑谷传输的声子晶体弹性板结构；2）将步骤1）声子晶体弹性板结构在仿真环境中运行，通过对弹性声子晶体板边缘态的调制对其自由度以及背向散射抑制能力进行分析；3）将步骤1）声子晶体弹性板制成实物，并通过实验验证了其免疫缺陷，空穴的鲁棒性。同时提供声子晶体弹性板实物结构。本发明所研究的弹性波体系，其拓扑带隙的相对宽度超过60%，从而在实际应用上具有较大的优势和潜力，为超宽带声学天线、声学逻辑控制等器件的工程应用提供了新思路。

技术研发人员：蔡成欣,李欣欣,贺广臣,王其富,秦瑶,李明星,廉飞宇,肖乐,张冰,李银飞
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15