声子晶体的拓扑性质研究

发布时间：2020-10-19 07:11

　　 最近几年,受到电子系统中量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的启发,经典波的拓扑性质研究成为了一个新的研究热门。量子系统中受拓扑保护的波的传输这一特性很快被推广到其它的经典物理系统。利用这些系统的拓扑性质,开发出的材料具有一些独特的功能,比如单向传输、背向散射抑制和缺陷免疫等等。本文研究了声学系统中的量子自旋霍尔效应和兰姆波中的量子谷霍尔效应。具体研究内容如下:1.在第二章中,我们构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构。当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有_6对称性。研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180~o,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程。通过利用Γ点的p态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态。随后通过?微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系。最后通过数值模拟演示了声波边界态的单向传输,以及边界态对一般缺陷比如弯曲、空腔和失序的鲁棒性。我们的设计提供了一种新的方式去实现声波的自旋霍尔效应,在实际应用上具有较大的优势和潜力,使人们可以以一种更有效的方式去操纵声波。2.在第三章中,我们构建了一种声子晶体薄板,它由不规则的六边形硅柱子按三角晶格的形式嵌入在硅橡胶薄板中形成,硅柱子可以绕自己的中心旋转,当旋转角度为0时,体系结构布里渊区中的K点具有C_(3v)对称性,计算能带发现布里渊区上的K点会出现一个兰姆波A_0模式的狄拉克锥,而且在锥的附近还有第三条带。然后旋转介质柱打破ΓK方向的镜面对称性,当旋转角度为π/6时,K点的对称性降为C_3,这时K点上的狄拉克锥会打开一个带隙,虽然这个带隙不是完全带隙,但与带隙重合的部分是弹性波的S_0和SH_0模式。但在低频范围下,A_0模式与S_0、SH_0模式是解耦和,所以这个带隙可以看成是A_0模式的完全带隙。然后我们给出了体系的有效哈密顿量,计算了K点附近A_0模式这三条带的陈数,发现上下两条带的陈数为±_2~1,而中间那条带的陈数为0。然后我们得到了受谷保护的拓扑边界态,证明了边界态的手性。当谷间散射较弱时,边界态是单向传播的并且不受缺陷的影响。因此我们在兰姆波中以一种简单的方式实现了量子谷霍尔效应。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O469
【部分图文】：

华南理工大学硕士学位论文点 A 有一个向量，此向量在切平面内，如图 保持向量在球面的切平面内，且向量不能绕所面上运动最终回到原点时，运动路径形成一个与最初的指向相同，而是与其形成一个夹明，向量沿任意闭合路径移动形成的 Hannay应的立体角，即 = 。

算贝利曲率的原理图。黑色箭头代表贝利势在倒空间中积分路可知贝利相位为2n nLγ A dk dk( ) ( ) nkk k ，由于 k非常小，则有22dk ( k )k1 2 2 33 4 4 1Im ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )n n n n nLn n n nA dk k k k kk k k k为1 2 2 323 4 4 1( ) Im ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )n n n nn n n nkk k k k kk k k k

和 N 型声子晶体在 Γ 点的两个双重简并态的频率随结构参数 r/L 的幅图分别为 P 型和 N 型声子晶体的结构示意图，红色的正六边形表元胞包含 2 个钢柱, f 为频率。带反转6vC 对称性的晶格结构，在布里渊区中心Γ点的本征态有两个不可约表应于二重简并的偶极子态，具有奇宇称，类似于电子系统中的 p 态并的四极子态，具有偶宇称，类似于电子系统的 d 态。在保证 L 不变的声子晶体，位于Γ点的二重简并的 p 态和 d 态的频率随几何参数r -1 的蓝色点线所示，可以发现，当 0.31cr r L 时(红点位置处)，p 态
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本文编号：2846890