【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所劉曉峻教授和程營(yíng)教授課題組在拓?fù)渎晫W(xué)人工結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種基于富勒烯C540分子結(jié)構(gòu)的三維球形聲學(xué)超材料，并成功探測(cè)到五邊形缺陷處的拓?fù)渚钟驊B(tài)。
 

　　拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)淙毕菔悄蹜B(tài)物理學(xué)中的重要研究方向，尤其對(duì)于具有特殊幾何結(jié)構(gòu)和電子特性的材料。富勒烯(如足球烯C60)由于其獨(dú)特的閉籠狀分子結(jié)構(gòu)，與平面結(jié)構(gòu)的石墨烯碳基材料相比，具有不同的物理特性，這引發(fā)了廣泛關(guān)注。富勒烯結(jié)構(gòu)通常由多個(gè)五邊形和六邊形碳環(huán)構(gòu)成，其幾何特性使其能夠展現(xiàn)特殊的拓?fù)湫再|(zhì)。然而，盡管相關(guān)拓?fù)湫再|(zhì)已有理論研究，但在實(shí)驗(yàn)中探討三維拓?fù)淙毕萑悦媾R技術(shù)挑戰(zhàn)。拓?fù)渎晫W(xué)超材料作為一種可精確設(shè)計(jì)和調(diào)控的人工材料，成為研究拓?fù)湎嘧兊男滦推脚_(tái)。
 

　　如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)切割和重新拼接二維平面石墨烯，引入多個(gè)五邊形位錯(cuò)缺陷，形成了三維富勒烯球體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中的周期性破缺和重新拼接形成了等效規(guī)范場(chǎng)?；谝?guī)范場(chǎng)理論的計(jì)算，預(yù)測(cè)在拓?fù)浞瞧接瓜到y(tǒng)中，局域于五邊形處的近零能拓?fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)數(shù)目為六個(gè)。團(tuán)隊(duì)利用空氣腔體管道結(jié)構(gòu)構(gòu)建了這一聲學(xué)等效模型，設(shè)計(jì)并制造了這種復(fù)雜的閉籠狀球形聲學(xué)類(lèi)富勒烯C540(如圖2a所示)。該結(jié)構(gòu)由12個(gè)五邊形和260個(gè)六邊形組成。
 

　　為進(jìn)一步研究拓?fù)淙毕輵B(tài)的特性，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)耦合管參數(shù)控制耦合強(qiáng)度變化，在聲學(xué)富勒烯C540結(jié)構(gòu)中引入了Kekulé擾動(dòng)并進(jìn)行本征頻譜分析(如圖2b所示)，成功觀察到局域于五邊形處的拓?fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)。圖2c的聲強(qiáng)分布圖顯示，隨著耦合比例減小，拓?fù)淙毕輵B(tài)的局域性顯著增強(qiáng)，聲能在特定頻率下更集中地局域于缺陷所在的五邊形處。如圖3a-e所示，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行掃頻測(cè)量，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了體帶帶隙中拓?fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)的存在。此外，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)的整體對(duì)稱(chēng)性作用下，六個(gè)零能級(jí)附近的拓?fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)場(chǎng)分布呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)兩種特性(如圖3f-h所示)。
 

　　這一基于富勒烯實(shí)空間拓?fù)鋵傩缘耐負(fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)研究不僅限于聲學(xué)系統(tǒng)，還可擴(kuò)展至其他波動(dòng)系統(tǒng)，為在較大的尺度上模擬納米材料中的拓?fù)湫?yīng)提供了全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于加深對(duì)復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)中拓?fù)淙毕莸睦斫?。此外，研究團(tuán)隊(duì)還觀察到此結(jié)構(gòu)對(duì)外界聲源展現(xiàn)出優(yōu)異的高指向性響應(yīng)特性，有望為設(shè)計(jì)三維空間聲傳感提供新思路。該成果以“Visualizing the topological pentagon states of a giant C540 metamaterial”為題于2024年11月7日發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications 15, 9644, 2024)。南京大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位，南京大學(xué)物理學(xué)院23屆博士畢業(yè)生廖丹薇、西班牙馬德里材料研究所博士生張靖怡、南京大學(xué)物理學(xué)院博士生王朔辰為共同第一作者，張志旺副教授、程營(yíng)教授、劉曉峻教授以及西班牙馬德里材料研究所Johan Christensen研究員為共同通訊作者。其他合作者還包括西班牙馬德里科學(xué)材料研究所Alberto Cortijo研究員、María A. H. Vozmediano教授，以及西班牙馬德里納米科學(xué)研究所?Francisco Guinea教授。該項(xiàng)工作得到了人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理科學(xué)硏究中心的支持，并獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
 

圖1：平面石墨烯通過(guò)切割粘合形成富勒烯球體示意圖。
 

　　圖2：(a) 聲富勒烯C540由空腔和連接管組成。 (b) 通過(guò)調(diào)節(jié)管道參數(shù)引入Kekulé擾動(dòng)并計(jì)算本征頻譜變化。(c) 不同耦合關(guān)系下局域于五邊形處的拓?fù)浔Ｗo(hù)缺陷態(tài)的聲強(qiáng)分布圖。
 

　　圖3：(a) 實(shí)驗(yàn)裝置圖。(b-e) 聲壓頻譜圖以及拓?fù)淙毕輵B(tài)場(chǎng)分布圖的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(f-h) 中心對(duì)稱(chēng)與中心反對(duì)稱(chēng)零能拓?fù)淙毕輵B(tài)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照。