近日，同济大学物理科学与工程学院应用物理学专业2020级本科生温雪昀在祝捷教授团队指导下，于国际应用物理学知名期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）发表了题为“Topologically protected sound enhancement”的研究论文，设计了经优化的声学拓扑波导，实现了具拓扑保护鲁棒性、声强递增的声波传输。

利用人工结构实现声能量局域化和信号增强是声学研究的重要内容之一，在实现高分辨率声学成像以及声信息传输中具有重要应用潜力。现有的实现声能局域化和声场增强的结构，其设计在平衡结构尺寸、性能和稳定性方面仍然面临挑战。而拓扑波导作为一种新型的波动传输与调控结构，具有在拓扑保护下实现低损耗和高效波动传输的潜力。

该论文提出了一种基于量子谷霍尔效应（QVHE）拓扑优化后的声学拓扑波导。波导引入了经过拓扑优化的类三角声子晶体结构，通过调整散射体的旋转角度，实现了波导中带隙宽度的梯度变化，从而在一个较宽的频带范围内能有效地增强声波传输的能量束缚和局域化，提高信号强度，如图1所示。

图1 两种具有不同拓扑特性的材料组成的声学拓扑波导的概念图

该论文通过数值模拟和实验验证，展示了在散射体单元不同旋转角度下拓扑波导的边缘态本征模式，以及转角变化对声子晶体带隙大小和声波束缚性能的影响。通过对散射体转角的精确选择，设计了由两种具有不同拓扑特性的材料组成的声学拓扑波导，实现了宽频带声波在其中的声能汇聚以及以及沿两材料边界处信号的声强递增，见图2。同时，在引入多种缺陷后，该声学拓扑波导仍有稳定的声能局域化表现，展示了优良的鲁棒性，见图3。

图2 声学拓扑波导样品示意图及其声学性能的实验测量结果

图3 声学拓扑波导鲁棒性验证实验的测量结果

这项研究展示了基于谷霍尔效应的声拓扑波导对于实现鲁棒且宽带的声信号增强传输所具备的重要意义。通过对传统的三角形散射体进行拓扑优化，可以显著扩大拓扑带隙的宽度，而构建的边缘态则明显增强了声波传输对缺陷的免疫力。这些结果表明拓扑声子晶体在声波传输操控方面具备潜力，有望在声信号处理和先进通信系统等领域得到应用。

论文的第一作者温雪昀同学，大三就进入祝捷教授团队的声物理与智能技术实验室接受科研训练，参与项目攻关，目前已发表SCI论文三篇，其中第一作者（含共同）两篇，第二作者一篇。本论文的共同通讯作者为同济大学物理科学与工程学院祝捷教授和顾仲明助理教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费的资助。

        论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0221746