基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器及其制备和调控方法

本发明属于声波束调控，特别涉及一种基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器及其制备和调控方法。

背景技术：

1、在过去几十年里，二维石墨烯和类石墨烯材料因其能带结构中线性简并的狄拉克点而受到广泛关注。随着对狄拉克物理的深入研究，拓扑半金属和拓扑绝缘体等概念得到了广泛发展。通过破缺时间反演对称性、空间反演对称性以及构建的自旋轨道耦合，使得狄拉克点的简并被打开，从而产生能隙，这将分别产生量子霍尔效应、谷霍尔效应和量子自旋霍尔效应。这些效应产生的拓扑态丰富了波操纵的自由度，通过利用不受缺陷影响的拓扑态来传输信息，开辟了新的应用领域。

2、其中，谷霍尔效应的形成只依赖于破缺空间反演对称性，其能带的局域极值可用于储存和携带信息，且易于在实验中构造，因此它备受人们的青睐。根据谷霍尔效应可构造位于晶体域壁之间的能谷态，而用于构造能谷态的两个晶体要求具有相反的能谷陈数。由于谷动量锁定，能谷态能够抑制谷间散射并且在通过尖角时表现出鲁棒性。这些特性显示出能谷态在实际应用中具有巨大潜力，例如可用于信息选择和传输的谷滤波器和拓扑天线。通过激发能谷态与空气外耦合形成的波束，在空气中具有准直性，并且能从特定的方向被接收，而不受其他方向背景噪音的干扰。这种类型的拓扑声学天线形成的波束器为声音控制提供了新途经，对于实际多功能应用非常理想。

3、然而，目前能谷态的形成主要依赖于一对狄拉克点，形成的能谷态只有一种可激发模式，这限制了能谷的自由度应用以及应用于声拓扑天线时的通道数。传统的能谷态在两个不同谷陈数的晶体域间传输，即需要两个完整的晶体来拼接而成，这限制了我们在制作器件时的尺寸。并且，当前的声拓扑天线形成的波束器在同一频率下只能激发出一种特定方向的波束，不能实现对不同方向波束的选择。

4、因此，寻求一种具有更多谷自由度，有更多可激发的谷模式，且更紧凑的可调控声波束器成为研究重点。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，采用s-石墨烯晶体结构的声学原胞，并对取反阵列在y方向构建不同的硬边界，由此可在不同边界处实现具有不同形貌的双扭结拓扑能谷边界态，并且，在边界上以一频率激发，通过调节两激发声源的相位差，可以分别得到准直出射和劈裂成两支斜出射的波束。进一步本发明还提供一种上述声波束调控器的制备和调控方法。

2、为达此目的，本发明包括以下技术方案：

3、本发明的第一方面公开一种基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，包括顶层、底层，以及位于顶层和底层之间的中间层，所述中间层包括声学原胞阵列取反的结构；所述声学原胞阵列包括若干在x方向和y方向上周期性排列的具有s-石墨烯晶体结构的声学原胞；所述声学原胞包括圆腔和用于联通圆腔的耦合管，其中圆腔的位置分布与s-石墨烯晶体结构中碳原子的位置分布相一致，所述声学原胞在x方向或y方向上具有不对称性；所述中间层还被构造为：仅在x方向与空气联通，在y方向上布置有具有bearded边界形貌的第一硬边界以及具有zigzag边界形貌的第二硬边界。

4、作为一种可选方案，所述声学原胞包括位于中部成矩形阵列排布的第一圆腔，以及布置在矩形阵列外周且与水平方向成夹角30°的第二圆腔；所述第一圆腔的半径均相同，所述第二圆腔中的至少一个与第一圆腔的半径不同。

5、作为一种可选方案，所述第二圆腔中仅有一个与第一圆腔的半径不同。

6、作为一种可选方案，所述声学原胞中相邻圆腔间距为a，第一圆腔的半径r2＝0.3a，与第一圆腔半径不同的第二圆腔半径r1＝0.45a，所述耦合管宽度t＝0.25a；所述第一硬边界被构造为在声学原胞阵列沿y方向加上的半径为0.3a的圆腔取反的结构。

7、作为一种可选方案，所述声学原胞在x和y方向上的周期均大于7。

8、作为一种可选方案，所述中间层的厚度为0.5±0.05cm。

9、作为一种可选方案，所述声波束调控器采用光敏树脂、亚克力、金属、有机塑料中的任意一种材料制作。

10、本发明的第二方面公开一种制备方法，用于制备本发明第一方面及任意一项可选方案所述的基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，包括：

11、构建具有s-石墨烯晶体结构的声学原胞，并通过调整圆腔和/或耦合管的尺寸参数，使所述声学原胞在x方向或y方向上具有不对称性，以破缺两对狄拉克点的简并，打开体能带带隙；

12、对所述声学原胞取反，将取反后的区域在z方向拉伸，然后分别在x和y方向进行周期性排布，最后再构建第一硬边界和第二硬边界以及顶层和底层，由此得到声波束调控器的图纸；

13、基于制作好的图纸，使用3d打印技术制作声波束调控器。

14、本发明的第三方面公开一种调控方法，用于调控本发明第一方面及任意一项可选方案所述的基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器：

15、在波束调控器第二硬边界一端的声学原胞中心的两个圆腔内，预设频率范围内的任意一频率声源沿x方向激发w型双扭结拓扑能谷边界态时，或者，在波束调控器第一硬边界一端的声学原胞中心的两个圆腔内，以预设频率范围内的任意一频率声源沿x方向激发m型双扭结拓扑能谷边界态时，均能得到用于实现声波束调控的两种不同能谷态模式，即对称模式和反对称模式；

16、在波束调控器第二硬边界或者第一硬边界一端的声学原胞中心的两个圆腔内，用相位差为0的两个声源激发对称模式，与空气外耦合后形成准直的波束；

17、在波束调控器第二硬边界或者第一硬边界一端的声学原胞中心的两个圆腔内，用相位差为π的两个声源激发反对称模式，与空气外耦合后形成劈裂的波束；

18、所述用于激发对称模式或反对称模式的两个声源的频率和音量大小均完全一致。

19、作为一种可选方案，所述预设频率范围为8.850～9.250khz，所述音量在30～100分贝之间。

20、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明采用的s-石墨烯晶体结构的声学原胞，具有四个不同的狄拉克点，相较于以往的石墨烯材料拥有更多的能谷自由度，能有更多的可激发谷模式，使得声波束器有更多可调的通道。

22、(2)本发明所述的双扭结拓扑能谷边界态存在于声波束调控器的边界，而以往的能谷态存在于两块具有相反能谷陈数的晶体拼接而成的域壁中，因此相较而言，我们的器件更加紧凑。并且本发明的同一器件的两边界具有两个不同的能谷边界态，使得器件的应用更加广泛，其研究成果对于准直波束器等相关能谷器件的设计具有重大意义。

23、(3)本发明所述的调控方法能够特定的激发出一种模式的波束，在同一频率处能通过调节两声源相位差实现波束的调控，即准直或劈裂出射，这样的设计不仅丰富了能谷态的研究，也为调控和应用能谷态提供了新的途径和方法。

技术特征：

1.一种基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，其特征在于，包括顶层、底层，以及位于顶层和底层之间的中间层，所述中间层包括声学原胞阵列取反的结构；所述声学原胞阵列包括若干在x方向和y方向上周期性排列的具有s-石墨烯晶体结构的声学原胞；所述声学原胞包括圆腔和用于联通圆腔的耦合管，其中圆腔的位置分布与s-石墨烯晶体结构中碳原子的位置分布相一致，所述声学原胞在x方向或y方向上具有不对称性；所述中间层还被构造为：仅在x方向与空气联通，在y方向上布置有具有bearded边界形貌的第一硬边界以及具有zigzag边界形貌的第二硬边界。

2.如权利要求1所述的声波束调控器，其特征在于，所述声学原胞包括位于中部成矩形阵列排布的第一圆腔，以及布置在矩形阵列外周且与水平方向成夹角30°的第二圆腔；所述第一圆腔的半径均相同，所述第二圆腔中的至少一个与第一圆腔的半径不同。

3.如权利要求2所述的声波束调控器，其特征在于，所述第二圆腔中仅有一个与第一圆腔的半径不同。

4.如权利要求3所述的声波束调控器，其特征在于，所述声学原胞中相邻圆腔间距为a，第一圆腔的半径r2＝0.3a，与第一圆腔半径不同的第二圆腔半径r1＝0.45a，所述耦合管宽度t＝0.25a；所述第一硬边界被构造为在声学原胞阵列沿y方向加上的半径为0.3a的圆腔取反的结构。

5.如权利要求1所述的声波束调控器，其特征在于，所述声学原胞在x和y方向上的周期均大于7。

6.如权利要求1所述的声波束调控器，其特征在于，所述中间层的厚度为0.5±0.05cm。

7.如权利要求1所述的声波束调控器，其特征在于，所述声波束调控器采用光敏树脂、亚克力、金属、有机塑料中的任意一种材料制作。

8.一种制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至7任意一项所述的基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，包括：

9.一种调控方法，其特征在于，用于调控基于权利要求1至7任意一项所述的基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器：

10.如权利要求9所述的调控方法，其特征在于，所述预设频率范围为8.850～9.250khz，所述音量在30～100分贝之间。

技术总结本发明公开一种基于双扭结拓扑能谷边界态的声波束调控器，包括顶层、底层和中间层，所述中间层包括声学原胞阵列取反的结构；所述声学原胞阵列包括若干在x方向和y方向上周期性排列的具有S‑石墨烯晶体结构的声学原胞，所述声学原胞在x方向或y方向上具有不对称性；所述中间层还被构造为：仅在x方向与空气联通，在y方向上布置有bearded边界以及zigzag边界。进一步本发明还提供一种上述声波束调控器的制备和调控方法。本发明可在不同边界处实现具有不同形貌的双扭结拓扑能谷边界态，并且，在边界上以一频率激发，通过调节两激发声源的相位差，可以分别得到准直出射和劈裂成两支斜出射的波束。技术研发人员：何程,苟晓慧,赖华山,陈延峰受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/2/25