[发明专利]赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体

说明书

本发明针对现有技术的局限性，提出了一种赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体，利用月牙状的散射体来实现频带反转，能够构造出伪时间反演对称性以及有限四边形声学结构，可以实现类似于电子系统中的量子霍尔效应(Quantum Hall Effect，QHE)的赝自旋状态，具有自旋方向依赖性的单向传输的边界以及良好的的鲁棒性，并且不受诸如直角弯曲、孔洞和无序之类的缺陷的影响；可采用普通材料实现，拓扑带隙非常宽，结构较为简单，在实际应用中有很大潜力。

技术领域

本发明涉及凝聚态物理的应用技术领域，具体涉及凝聚态物理在声学传输方面的应用，更具体的，涉及一种赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体。

背景技术

如公开日为2018.10.02，公开号为CN108615521A的中国发明专利：一种声拓扑绝缘体所示，声音的拓扑声传递可以通过三角晶格的声子晶体来实现，在该声子晶体中，仅通过旋转散射体即可实现带反转，并且在实验中已确认了受拓扑保护的边缘状态。声学谷状态具有与谷相关的涡旋特性，这为操纵声场提供了新的自由度。另外，赝自旋状态也已经被引入到声学系统中，是声波类比电子系统中所得到的自旋向上和自旋向下状态所形成的量子自旋霍尔效应。构造具有特殊对称性的声子晶体以形成狄拉克点，并通过简单地改变声子晶体中散射体或旋转散射体的半径来实现拓扑相变。赝自旋声拓扑绝缘体中研究的大多数狄拉克点都是由高对称性生成的。此外高阶拓扑绝缘体为带隙中不仅存在打开能隙的边界态，同时在所打开的能隙中会存在稳健的角态或棱态。

但现有的声学拓扑隔离器主要研究相对容易获得的声音在空气中的传播，而且大多数狄拉克点是由高对称性产生的，因此现有技术仍具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的局限，本发明提出一种赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体，本发明采用的技术方案是：

一种水下声子晶体单胞结构，包括正六边形晶格，所述正六边形晶格之中设有六个可围绕各自中心旋转的散射体；

所述散射体呈月牙状，分布在所述正六边形晶格之中；

当各散射体内弧边的圆心与所述散射体所在位置最接近的所述正六边形晶格边缘之间的距离最大时，所述水下声子晶体单胞结构处于拓扑平庸态；

当各散射体内弧边的圆心与所述散射体所在位置最接近的所述正六边形晶格边缘之间的距离最小时，所述水下声子晶体单胞结构处于拓扑非平庸态。

进一步的，所述正六边形晶格的晶格常数a＝43mm。

进一步的，所述月牙状指两个圆部分重合时，其中一个圆的未重合部分所呈现的形状。

进一步的，所述散射体外弧边的半径长度为所述正六边形晶格的晶格常数的十分之一。

进一步的，所述散射体由软橡胶制成，所述软橡胶的声学参数如下：密度ρ₁＝1000kg/m³，声速c₁＝＝489.9m/s。

进一步的，所述正六边形晶格的基底为水，声学参数如下：密度ρ₀＝1000kg/m³，声速c₀＝＝1482.9m/s。

一种赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体，其特征在于，其为由前述的水下声子晶体单胞结构组成的有限四边形声学结构，所述有限四边形声学结构的内层分布有处于拓扑非平庸态的水下声子晶体单胞结构，所述有限四边形声学结构的外层分布有处于拓扑平庸态的水下声子晶体单胞结构。

一种由前述的声子晶体单胞结构组成的水下声子晶体，包括相互连接的一个拓扑平庸结构以及一个拓扑非平庸结构，所述拓扑平庸结构由若干个处于拓扑平庸态的所述水下声子晶体单胞结构沿边缘连接组成，所述拓扑非平庸结构由若干个处于拓扑非平庸态的所述水下声子晶体单胞结构沿边缘连接组成。