南大又发Nature！同一学院，9月第2篇，实至名归！

1878年，瑞利勋爵观察到一种非常著名的现象——声波在伦敦圣保罗大教堂弯曲的走廊上蔓延。这些波在一个封闭的环境中有效地散射，几乎没有衍射，并在超声疲劳和裂纹测试中发现了应用，以及在使用二氧化硅微尺度环面对纳米颗粒或分子的光学传感中。

最近，研究的重点集中在探索具有聪明的增益和损失匹配，促进单向不可见和特殊点的奇异特性的非厄米特系统。同样地，物理学中使用非平凡对称保护相位的拓扑绝缘体的浪潮，已经为重塑高度非常规的道路奠定了基础，从而实现声音和光的稳健和无反射引导和转向。

在此，来自南京大学的Zhiwang Zhang &程营&刘晓峻和西班牙马德里卡洛斯III世大学的Johan Christensen等研究者报道了，使用由碳纳米管薄膜装饰的热塑性棒制成的声速晶体构建了拓扑廊道绝缘体，它通过电热声耦合作为声速增益介质。相关论文以题为“Non-Hermitian topological whispering gallery”于2021年09月29日发表在Nature上。

在非厄米特环境下理解拓扑相已经成为凝聚态物理、冷原子物理、经典光学和声学等许多研究领域的一个蓬勃发展的领域。具体地说，努力的动机是寻求扩展在非厄米特设置中没有厄米特对应的排他拓扑相。

其中最受欢迎的例子是非厄米特皮肤效应，非常规非布洛赫体边界对应和拓扑激光器。拓扑激光器在应用方面是一个很有吸引力的领域，当与光学活性介质结合时，拓扑抗边缘状态(对缺陷和制造缺陷具有强大的抵抗力)将被设置为激光。激光器从根本上是非厄米的，但由于在有源Su Schrieffer Heeger阵列、耦合环形谐振器、激子极化绝缘子和拓扑光子晶体中添加了拓扑成分，最近获得了前所未有的好处。

在增益介质中为声波创造非厄米性是非常具有挑战性的，更不用说等效激光了；然而，使用适当增益电路或压电半导体的声电效应的扬声器可以完成这项工作。然而，一个更灵活和可调谐的方法是采用热声学，其中波动焦耳加热转换成声音，例如，当交流电应用于导体。这种电-热-声耦合，在碳纳米管(CNT)薄膜中已被证明是非常有效的，因为它们的热电容和热惯性较低，允许产生宽带和高压声波

在此，研究者使用由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)棒制成的三角形声波晶体构建了一个回音廊道(WG)绝缘体，该晶体能够沿着其界面维持拓扑谷边缘状态，并由底层晶格对称保护。谷自由度最初用于凝聚态物理，但后来在人工晶格中得到了应用，在人工晶格中，谷间距散射的抑制，使得光或声的强大而紧凑的引导得以实现。

为了使声谷边缘状态变为“激光”状态，需要通过声增益介质实现拓扑晶格，这是研究者通过在绝缘体棒周围粘贴碳纳米管薄膜实现的。实验测量揭示了WG模式手性是如何被打破的——也就是说，研究者通过适当地调整电强加的非厄米性，在顺时针(CW)和逆时针(CCW)共振中分裂对称。这些拓扑WG模式，不仅通过其复杂的边缘状态围绕封闭的声绝缘体旋转，而且还演示了在可听频率下对放大和聚焦声发射进行耦合的能力。预计，将来这些发现，将促进无损检测和声学传感的发展。

南大又发Nature！同一学院，9月第2篇，实至名归！

图1 具有声增益的声拓扑绝缘体的复带图

图2 装配与非厄米特相工程

图3 拓扑WG模式分裂

图4 放大拓扑WG模式路由

综上所述，研究者利用碳纳米管薄膜的电-热-声耦合，作为声谷-霍尔晶格的增益介质，建立了非厄米拓扑边缘态。在此基础上，研究者设计了一种低语通道谐振器，其传统的简并谐振是模分裂的，并通过印在增益元件上的相位来控制。在拓扑稳健的环境中，声音的放大转向和引导可以改善声通信系统。当缩放到微米和纳米尺度时，宽带蜂窝通信网络中的机电滤波有潜力利用非厄米千兆赫拓扑。此外，将声波晶格与碳纳米管薄膜相结合，可有助于工程主动控制。

该工作建立了晶体层状材料的层间旋转，可作为固体系统中工程定向热传输的一个新自由度。

据了解，这已是南京大学本月的第2篇Nature正刊了，更让人惊讶的是，这两篇同时出自南大物理学院，不愧是国内实力前几的学院，实力之强，实至名归！

文献信息

Hu, B., Zhang, Z., Zhang, H. et al. Non-Hermitian topological whispering gallery. Nature 597, 655–659 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03833-4

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03833-4#citeas

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