物理科学与工程学院祝捷团队联合香港理工大学苏众庆团队关于手性声学朗道能级的研究成果发表于《先进科学》

近日，同济大学物理科学与工程学院声学研究所祝捷教授团队，联合香港理工大学苏众庆教授团队，成功实现了自旋锁定的声学朗道能级。该研究提出了一种零阶声学朗道能级形成的新机制，并采用拓扑优化技术，同时在六角晶格和方形晶格中实现了宽带零阶声学朗道能级。相关成果以“Realization of spin-locked acoustic helical Landau levels in both hexagonal and square lattices”为题发表于《先进科学》（Advanced Science）。

朗道能级是由苏联科学家列夫·朗道提出的带电子粒子在均匀磁场中运动时局域在不同轨道上的现象。在声学系统中，可以通过人工合成赝磁场，实现声学朗道能级，从而实现声波局域化调控。然而，在声子自旋系统中（尤其基于方形晶格）构建人工合成赝磁场极其困难。研究团队采用拓扑优化技术同时在六角晶格（图1）及方形晶格（图2）中构建了由两个偶极模态和四极模态简并的双狄拉克锥，并进一步打破该双狄拉克锥，定制了局部带隙呈梯度变化的单胞构型，从而实现了单胞狄拉克质量的线性变化。随后，将所设计单胞沿竖直方向排列并沿水平方向周期阵列后，成功合成了面内赝磁场（图3a，d）。在该磁场的诱导下，形成了自旋向上和自旋向下的两条声学朗道能级（图3b，e）。

最后，研究团队通过3D打印技术制造了所设计的结构（图4a，图5a），实验表征了自旋锁定的零阶声学朗道能级的色散曲线（图4bc，图5bc），并进一步展示了基于零阶声学朗道能级的大面积声波调控特性（图4def，图5def）。所设计的结构可应用于开发具有鲁棒性的大面积声波调控元器件。同时，所提出的智能设计方法可以扩展到弹性波及电磁波系统，从而在不同对称性晶格中定制自旋锁定的弹性及电磁朗道能级。

图1、基于拓扑优化设计的带隙呈梯度变化的六角晶格单胞

图2、基于拓扑优化设计的带隙呈梯度变化的方形晶格单胞

图3、六角晶格与方形晶格中自旋锁定的声学朗道能级

图4、六角晶格中自旋锁定的声学朗道能级实验验证

图5、方形晶格中自旋锁定的声学朗道能级实验验证

同济大学祝捷教授团队陈亚枫副教授为论文第一作者，同济大学祝捷教授、香港理工大学苏众庆教授和香港理工大学继续教育学院讲师梁善军博士为论文共同通讯作者，伦敦大学学院兰智豪博士与香港理工大学范磊博士对该研究工作作出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金、香港特别行政区大学资助委员会/研究资助局的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507059