声子晶体中的散射效应诱导赝磁场与声朗道能级

作     者：陈文灿 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗为;赵德刚

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：声子晶体 赝磁场 声朗道能级 对称规范 类量子霍尔效应 缺陷免疫 

摘      要：赝磁场在物理学研究中备受关注,已成为一种新型调控经典波的机制。引入赝磁场可以在经典波体系中实现许多通常只存在于量子系统中的物理现象,如朗道能级和量子霍尔效应等,从而极大地扩展了操控经典波的方法。本文在二维声子晶体中设计了一种新型结构,通过引入沿着x和y方向的散射体单胞参数线性变化,成功地创建一个对称规范场,并实现了大面积均匀的赝磁场。与现有工作中使用的合成朗道规范场不同,这种方法为有效矢势的选择空间提供更大的灵活性,为赝磁场人工声学器件的应用开辟了新的前景。本文从理论原理、有限元仿真和实验三个方面对这一创新性的研究进行了探索,并取得了以下成果:(1)本文针对二维类石墨烯蜂窝晶格声子晶体,提出一种全新的声子晶体超胞结构设计方法。该方法通过沿x和y方向引入散射体单元参数的线性变化,实现对称规范或任意非特殊规范下的赝磁场。相比现有工作中的合成朗道规范场,这种方法增加了有效矢势的选择范围,使得声子晶体结构更加灵活多变。类似于真实磁场诱导的朗道能级量子化现象,在赝磁场作用下实现声子晶体中的高度简并且平坦的声朗道能级。(2)针对这种声子晶体超胞结构,本文提出一种新的声波传输控制方法。该方法通过在狄拉克锥区产生离散的朗道能级,实现沿畴壁的单向传播,即量子霍尔输运。通过声子晶体模型设计,可以实现对声波传播方向的精确控制,且具有缺陷免疫特性。这种单向传输方式能够绕过拐角传播而不会反射,并能够选择性地激发不同的边缘态或局域态。与具有一个周期性方向的朗道规范不同,该方法可以轻松实现B和-B的赝磁场,且可以将二者拼接,使声波从一块晶体传播到另一块晶体,实现声波沿同侧边界或异侧边界传播,这种全新的传播方式将为赝磁场人工声学器件提供新的功能。综上所述,本文研究了在声子晶体中构建自由矢势下的赝磁场,并通过实验验证声学体系中的类量子霍尔效应。这为声子晶体的实际应用和优化提供了参考,为赝磁场人工声学器件的应用开辟新的前景。