量子霍尔效应是凝聚态物理学的重要进展之一, 该效应的一个重要结果是可以实现沿材料边缘单向传播的边界态, 目前量子霍尔效应已推广至机械波系统, 并在陀螺结构中观察到声学单向态现象。最近一项研究基于连续介质方法给出了陀螺结构单向边界态的力学解释。

研究的相关论文题为 “Unusual one-way edgestate in acoustic gyroscopic continuum”, 近期出版在2019年第1期SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版)上, 由北京理工大学周萧明教授担任通讯作者撰写。研究者从具有厄米特质量密度的声学方程出发, 建立了边界态的场方程, 给出了形成声学单向界面态的参数条件。

量子霍尔效应可以产生单向传输的边界态, 该现象扩展至机械系统有望产生新的波/振动调控机理, 相关研究正受到极大关注。经量子力学方法研究证实, 在点阵结构上耦合陀螺转子可以产生与量子霍尔效应类似的声波单向边界态。从连续介质力学角度看, 该陀螺结构在长波极限下可以由具有厄米特质量密度的声学方程描述, 那么从该方程出发是否可以给出非量子化语言的力学解释？这对于深入理解机械波系统单向态的形成机理具有一定参考意义。

该项研究从厄米特密度声学方程出发, 推导出了半无限大陀螺介质的表面态场方程, 从中揭示出陀螺效应是产生非对称边界态的关键, 并给出了形成单向表面态的参数条件。此外, 文章研究了有限厚度陀螺介质的表面态, 发现两个界面上的单向边界态是完全解耦的, 且与介质的厚度无关。最后, 该项研究还证实了在不支持体态传播的情况下, 陀螺介质表面的单向波可以完美绕过界面缺陷而不产生后向散射(如图1所示)。

图1  陀螺介质单向表面波可以完美通过五角形缺陷

这一研究结果丰富了机械波量子霍尔效应的研究。它不仅对于深入理解机械波系统单向态的形成机理具有一定参考价值, 而且结合等效介质理论可以为非互易介质的设计提供一种新的思路和方法。

XiaoMing Zhou, and YuChen Zhao, Unusual one-way edge state in acoustic gyroscopic continuum, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62, 014612 (2019)

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/62/1/10.1007/s11433-018-9268-9?slug=full%20text

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-018-9268-9

《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2017年影响因子为2.754, Q1区。中文版被Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.