南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所劉曉峻教授、程營教授課題組在拓?fù)渎曌泳w研究方面取得重要進(jìn)展，他們利用聲學(xué)谷霍爾拓?fù)浣^緣體成功構(gòu)造了具有高指向性和抗干擾能力的聲學(xué)天線，相關(guān)研究成果2018年9月6日以《Directional Acoustic Antennas Based on Valley-Hall Topological Insulators》為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Materials第30卷36期上[Adv. Mater. 2018,1803229]。南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生張志旺和田野為論文共同第一作者，程營教授、劉曉峻教授及西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)Johan Christensen教授為論文的共同通訊作者。

在自然界中，很多動物可以依靠自身的生物組織產(chǎn)生高指向性聲束或者接收特定方位的聲信號，以此構(gòu)建出獨(dú)特的通信系統(tǒng)，比如海豚可以產(chǎn)生寬度約為16°的高指向性聲束，用于在復(fù)雜環(huán)境中以高分辨率檢測和追蹤獵物。而人類由于缺乏類似功能的器官組織，導(dǎo)致產(chǎn)生和接收的聲信號指向性很差。在需要高指向性聲波的實(shí)際應(yīng)用場景下，人們一般采用基于相控陣技術(shù)的麥克風(fēng)陣列主動控制系統(tǒng)，而這種技術(shù)需要大尺度的陣列以及復(fù)雜的算法支持。近些年也有一些研究表明可以利用聲子晶體等頻線理論和聲學(xué)共振腔抑制輻射等被動方法產(chǎn)生指向性聲束，但是較窄的工作頻段以及較寬的聲束寬度限制了其實(shí)際應(yīng)用。

近些年來，拓?fù)鋵W(xué)在聲學(xué)系統(tǒng)中的研究成為領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，聲學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的無損傳輸以及較好的魯棒性等特點(diǎn)為新型聲學(xué)功能器件的探索提供了新的思路。劉曉峻教授、程營教授課題組設(shè)計(jì)了一種基于聲學(xué)谷霍爾拓?fù)浣^緣體的高指向性聲學(xué)天線，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在嘈雜聲學(xué)環(huán)境中的高指向性輻射和接收聲波的功能（圖1）。首先，通過對聲學(xué)二維Kagome晶格初基元胞中三單元間距的收縮以及放大，在第一布里淵區(qū)頂點(diǎn)上產(chǎn)生了具有不同谷自由度的谷態(tài)，并且在一定頻段產(chǎn)生完全禁帶。如圖2（a）-（b）所示，雖然收縮和放大單元之后聲子晶體的色散圖沒有發(fā)生變化，但是第一布里淵區(qū)頂點(diǎn)處的谷自由度發(fā)生了反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為谷態(tài)聲強(qiáng)的方向發(fā)生了互換。這種反轉(zhuǎn)可以用等效谷陳數(shù)（valley-Chern indices）理論來解釋，不同的擾動會導(dǎo)致符號相反的谷陳數(shù)，而在不同谷陳數(shù)系統(tǒng)之間的邊界上就會產(chǎn)生受拓?fù)浔Ｗo(hù)的谷傳輸邊界態(tài)，如圖2（c）所示，根據(jù)不同谷陳數(shù)系統(tǒng)的位置變化可以將邊界分為Positive邊界和Negative邊界。圖2（d）表示實(shí)驗(yàn)上測得的有彎曲缺陷邊界和沒有缺陷情況下的透射譜，表明這種谷傳輸邊界態(tài)對彎曲缺陷具有較好的魯棒性。

圖1：拓?fù)渎晫W(xué)天線示意圖。左圖顯示拓?fù)渎晫W(xué)天線具有高指向性的聲輻射能力且波束寬度窄，不會對其他范圍聽者產(chǎn)生干擾。右圖顯示在復(fù)雜聲學(xué)背景環(huán)境中，拓?fù)渎晫W(xué)天線仍然可以根據(jù)需求從中接收特定角度、頻段的聲信號而其他信號對此不產(chǎn)生干擾。

圖2：（a）-（b）通過收縮和擴(kuò)大Kagome晶格元胞中圓柱單元的間距在第一布里淵區(qū)頂點(diǎn)處產(chǎn)生具有不同谷自由度的谷態(tài)。（c）帶狀聲子晶體色散圖，表示具有不同谷霍爾相的結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生拓?fù)溥吔鐟B(tài)。（d）不同邊界條件下實(shí)驗(yàn)測得的透射譜。

這種谷霍爾拓?fù)浣^緣體的另一大特點(diǎn)在于，當(dāng)聲子晶體的終端邊界為zigzag邊界時，聲波從拓?fù)洳▽?dǎo)出射后在與空氣之間的界面上不會發(fā)生背向散射，并且滿足廣義斯涅爾定律，從而可以沿特定角度輻射高指向性聲束。如圖3（a）所示，K谷激發(fā)的聲波沿Negative邊界向右傳輸至終端邊界時，可以通過斯涅爾定律得到聲波出射的方向角θ。實(shí)驗(yàn)測得輻射聲束能量半高寬小于10°，聲束效率（Beam Efficiency）達(dá)到97.51%（圖3（b））。如圖3（c），實(shí)驗(yàn)上也證明其工作頻段與拓?fù)溥吔鐟B(tài)所處頻段一致，即實(shí)現(xiàn)了高指向性的寬頻聲學(xué)輻射天線。圖3（d）-（f）為K’谷激發(fā)的聲波沿Positive邊界向右傳輸時天線輻射角的理論及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明我們可以通過設(shè)計(jì)聲子晶體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輻射角度從正到負(fù)的轉(zhuǎn)變。這種拓?fù)渎晫W(xué)天線不僅可以輻射指向性聲波也可以用來接收特定方向的聲信號，并且在復(fù)雜的聲學(xué)背景環(huán)境中同樣適用，這為我們從嘈雜環(huán)境中定向提取目標(biāo)信號提供了可能。如圖4所示，我們需要從背景噪聲中提取目標(biāo)正弦信號，在沒有拓?fù)渎晫W(xué)天線的位置實(shí)驗(yàn)測得的時域信號和變換后的頻域信號（圖4（b）-（c））表明目標(biāo)信號已經(jīng)完全被背景噪聲淹沒。而經(jīng)過拓?fù)渎晫W(xué)天線的定向接收和特定頻段信號提取之后，如圖4（d）-（e）所示，背景噪聲被隔離在天線之外，而目標(biāo)信號被接收。

圖3：（a）-（c）沿Negative邊界向右傳輸?shù)穆暡◤亩丝诔錾浜筝椛浞较虻睦碚摲治?、仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。（d）-（f）沿Positive邊界向右傳輸?shù)穆暡◤亩丝诔錾浜蟮妮椛浞较虻睦碚摲治觥⒎抡娼Y(jié)果以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，出現(xiàn)正折射現(xiàn)象。

圖4：拓?fù)渎晫W(xué)天線的抗干擾信號接收能力。（a）拓?fù)渎晫W(xué)天線只接受特定角度、頻段的聲信號而其他信號對此不產(chǎn)生干擾，正弦信號為目標(biāo)信號，噪聲信號為背景干擾。（b）-（c）在沒有天線位置接收到的時域信號和頻譜。（d）-（e）在天線中接收的時域信號和頻譜，已將目標(biāo)信號從背景噪聲中成功提取。