近日，JDB龙王捕鱼物理科学与技术学院杨海研究团队在APS国际物理学期刊 Physical Review Applied 上以“Multichannel Topological Transport in an Acoustic Valley Hall Insulator”为题发表关于声波分束和聚合的研究成果。

声音在空气中可以四方八面传播，如何让声波单一方向传播和分叉，即分束，又能让声波像电子波一样完成计算机的逻辑运算，也就是我们能否控制声波只能朝一个方向或者几个方向传播，这几个问题一直是科学家非常关注的问题。

JDB龙王捕鱼物理科学与技术学院杨海教授课题组在完成理论计算和制备样品的基础上，在中国科学院北京声学研究所贾晗教授课题组指导下完成实验测量，通过两种不同谷界面态的研究，不仅在理论上展示谷界面态的声波分束和聚合现象，而且在实验中验证了谷界面态的多通道传输。

在研究中，空心三开口圆柱构成二维三角晶格，它的空间反演对称性可以通过旋转来打破，对称性降为可以C3v从减低到C3。，以此实现对称破缺。如下图1，杨海课题组计算给出二维声子晶体结构、不同旋转角度对应的能带结构和相变图，可以看到通过旋转圆柱，声音形成环流，环流分为顺时针和逆时针。

图1二维声子晶体、带结构和相变图

根据上图中的相变图构造具有不同界面（Zigzag界面和Armchair界面）的异质结，杨海课题组理论计算出如下图2所示的带结构和谷态声压分布。可以看出，具有Armchair界面的异质结构的谷界面态存在于整个动量空间中；然而，具有zigzag界面的异质结构的谷界面态只存在于动量空间的一半。因此，具有zigzag界面的异质结构的谷界面态是纯谷态，而具有armchair界面的异质结构的谷界面态是混合谷态。这种特性为交叉波导中的声波分束和聚合提供了基础。

图2 具有Zigzag界面（水平）和Armchair界面（竖直）的两种异质结构、对应的色散关系，以及相应的的总压力场分布

在下图中，从理论上给出了圆柱弯曲、圆柱变为空洞、圆柱变为无序，都不影响谷态的单向传输（a1-a4）。内插图中红色表示界面。

图3  谷界面态的稳健性的理论证明

在界面相互垂直的交叉波导中，实验验证了理论上的声波分束和聚合，如下图4所示。

图4  谷界面态声波分束和聚合和逻辑门功能

最后，在上述结果的基础上，实现声波分束和聚合，并在实验上实现复杂波导中谷界面态的多通道输运。如下图5所示，利用具有不同路径的复杂波导，可以将某个方向的声波近乎无损的传输到一或多个特定的方向，例如单通道传输中向右传播，双通道传输中向上和下传播，以及三通道传输中向上、下和右传播。此外，只要谷界面状态频率合适，不同方向传输的声波振幅可以使之相等。这些结果有助于利用具有不同界面的复杂波导构造多通道声谷拓扑输运器件。

图5多通道传输的实验验证

本研究工作利用zigzag和armchair界面的谷界面态的差异，不仅实现了交叉波导谷界面态的声波分束聚合现象，并得到了一个可控逻辑门。更重要的是，谷界面态的多通道声学拓扑输运得到了模拟和实验的验证。研究为探索复杂波导中多通道声谷拓扑输运提供了一种有效的方法，这种方法可以推广到其他声谷材料(如水下和弹性声子晶体)。