我院团队揭示连续弹性板中无序诱导拓扑相变与波导-谐振腔耦合机制

我院团队揭示连续弹性板中无序诱导拓扑相变与波导-谐振腔耦合机制

近日，我院Timon Rabczuk、金亚斌团队联合国内外合作者，在无序弹性超材料与拓扑波动调控领域取得重要进展，相关成果以“Disorder-Assisted Topological States and Critical Couplings in Continuous Elastic Metaplates”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》。该研究通过随机旋转连续弹性板中的椭圆孔，实现了无序辅助的拓扑相变、鲁棒界面传输及波导与谐振腔的临界耦合，为信号滤波、传感和集成声子器件设计提供了新思路。论文合作者还包括德国魏玛包豪斯大学蔡润成、华东理工大学俞敏乐、项延训（共同通讯）、同济大学庄晓莹（共同通讯）、法国里尔大学Bahram Djafari-Rouhani。

研究背景

弹性波广泛应用于无损检测、能量收集、传感和信息处理等领域，其稳定传输与高效能量调控是发展新型声子器件的重要基础。结构无序通常被认为会引起散射、降低传输性能，但适当设计的无序也能驱动拓扑相变，形成拓扑安德森绝缘体，为波动调控提供新的自由度。现有研究主要集中于离散晶格、耦合谐振器阵列等体系。在更接近实际器件的连续弹性介质中，如何利用无序诱导拓扑态并保持稳健传输，仍面临挑战。同时，无序系统的相变阈值难以定量预测，其在波导与谐振腔能量耦合中的作用也有待探索。

研究内容

针对上述问题，研究团队提出了一种椭圆孔穿孔弹性板结构，通过随机改变各单元中椭圆孔的旋转角度引入无序，调节单元之间的弹性耦合。研究发现，在所设计的角度分布下，随着无序强度增大，原本拓扑平庸的带隙逐渐收窄、闭合，随后重新打开为非平庸带隙，伴随能带反转与拓扑相变，形成拓扑安德森绝缘体。这表明，无序可以作为主动调控弹性波传播的设计参数。为描述这一过程，团队建立了超周期等效模型，通过选取代表性旋转角度构建超胞，预测无序结构的带隙演化与拓扑相变阈值。实验方面，团队制备了不同无序强度的穿孔铝板样品，利用压电激励与激光测振技术测量传输谱和位移场，验证了无序辅助的带隙闭合与重新打开，以及无序区域与拓扑平庸区域之间的拓扑界面态。位移场与空间傅里叶分析表明，弹性波主要沿界面局域传播，反向传播分量受到显著抑制。在此基础上，团队构建了拓扑安德森绝缘体波导-谐振腔系统，并实验观测到约 233 kHz 和 238 kHz 处的临界耦合。在相应频率下，波导中的大部分能量耦合进入谐振腔，使输出端透射显著降低，同时弹性波沿腔体边界传播，形成回音壁模式。数值模拟与实验结果相互印证，展示了无序诱导拓扑态用于频率选择和能量转移的潜力。

总结

本研究在连续弹性固体中实现了无序辅助拓扑态与波导-谐振腔临界耦合，并建立了预测带隙演化和拓扑相变的超周期等效模型，为利用结构无序调控弹性波提供了理论与实验基础。该成果为稳健波导、信号滤波及传感器件的设计提供了新途径。未来，该结构有望结合微纳加工技术向更小尺度和更高频率拓展，推动片上集成声子回路与多功能波动器件的发展。