武汉大学刘正猷教授团队背靠背连发PRL: 人工拓扑物理

现有陈绝缘体拓扑声学器件依靠单向手性边缘态实现抗干扰声波传输，但手性模式沿样品边界全域离域传播，无法按需暂停、定点束缚与可控释放，难以构建拓扑存储、可编程编码器件；学界此前反手性、彩虹捕获方案仅能依靠频率梯度实现有限局域，不具备可逆捕获读出能力，且同陈数拓扑畴之间的界面拓扑物理长期缺乏系统实验验证。

该工作提出极化失配诱导拓扑槽结构：构建两套陈数均为 1、仅动量空间极化分布存在偏移的拓扑畴，二者垂直锯齿拼接界面因积分极化差产生体态能隙内无手性拓扑局域态，水平拼接界面极化完全匹配则无局域模式，依靠几何拼接构型切换实现声波捕获、循环、释放三重工作模式，整套调控仅改变样品宏观拼接结构，无需重新设计晶格耦合参数。

理论层面团队基于各向异性哈达内模型衍生两类拓扑畴，通过威尔逊环路与动量分辨极化分布证明，单畴极化沿动量轴存在缠绕行为，但两畴极化差值无缠绕，满足界面电荷定理给出的拓扑态存在判据；为规避声学体系实现陈绝缘体所需非互易有源元件，创新性采用双层自旋分裂时间反演对称声子晶体设计，通过幺正变换将虚跃迁等效为层间实耦合，仅依靠空腔、管道无源结构即可复刻单自旋扇区陈绝缘体全部输运特性。

实验上团队三维打印 16×16 阵列双层声学异质结构，借助移动微腔探针逐点采集声场压力分布，通过二维傅里叶变换还原动量空间能带，分别采集单畴边缘谱、双畴界面谱，实验极化曲线与理论模拟高度吻合；实空间成像完整观测三种构型声场演化：分离样品时声波沿外边界单向传播，半闭合锯齿拼接时沿内部环路循环，完全贴合拓扑槽构型时声波稳定束缚于锯齿界面，扰动测试证明局域模式受体态拓扑保护，具备缺陷鲁棒性。

该成果填补同陈数拓扑畴界面弱拓扑理论空白，提出几何可重构拓扑存储方案，不对称锯齿深度设计还可实现多通道独立编码，可直接迁移至片上光子、弹性波拓扑存储芯片。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vf18-1kh7

声学、光子体系大多局限于 U (1) 阿贝尔规范场模拟电磁相互作用，动量空间等效非阿贝尔贝里曲率、非阿贝尔拓扑绝缘体始终缺少无源经典实验平台，冷原子、光路平台虽可构造非阿贝尔势，但依赖量子内禀自旋，加工与探测成本极高。

团队利用多层声学空腔引入人工赝自旋自由度，依靠层内、层间耦合管道的正负耦合强度配比，在无自旋声子体系等效构造完整 SU (2) 矩阵型人工规范势，通过幺正基变换将实数耦合晶格映射为含矩阵规范场的紧束缚模型，搭建声学非阿贝尔霍夫施塔特体系，可区分阿贝尔、非阿贝尔两类拓扑相。

理论上团队构造两套声学原型单元，一套取对易规范参数作为阿贝尔对比样品，一套取非对易链接变量实现非阿贝尔体系；威尔逊环路判据证明非阿贝尔体系闭合路径累积相位矩阵不对易，能带呈现嵌套分形霍夫蝴蝶结构，存在多层拓扑窄能隙，阿贝尔体系能带结构简单，仅具备量子自旋霍尔型单能隙。实验采用三维打印多层空腔声学晶体，调控管道直径精准匹配理论耦合强度，通过多通道声源独立调控每层声波振幅与相位，分别沿正交边界采集动量分辨能带；阿贝尔体系螺旋边界态自旋固定沿布洛球面极轴传播，非阿贝尔体系边界态自旋可在 σ_y-σ_z 平面连续旋转，该特征是非阿贝尔规范场独有的实验标识。

为进一步验证非阿贝尔自旋相互作用，团队设计 H 型双通道声学结构，窄桥区域激活自旋耦合实现可控自旋翻转，改变桥长可周期性调控透射通道的自旋占比，声场成像完整观测自旋正交态的选择性透射行为。整套实验体系全程无源、室温可测，相比量子模拟平台具备低成本、可批量制备优势，为杨 - 米尔斯规范理论、非阿贝尔任意子物理提供经典模拟载体。

综合两篇工作的学术价值，二者形成递进式拓扑声学创新体系：前者解决拓扑波的存储与可编程路由难题，完善陈绝缘体弱界面拓扑理论；后者突破阿贝尔规范场局限，搭建非阿贝尔拓扑物理的经典实验平台。两篇成果均摆脱有源非互易元件依赖，全部采用可量产三维打印声学结构，理论模型可直接平移至集成光子、微机械、微波超材料，面向拓扑存储器、自旋类拓扑信号处理器、高精度拓扑传感器件提供两套差异化核心设计范式，同时丰富拓扑物态从阿贝尔到非阿贝尔、从全域传播到定点束缚的完整理论图景，对人工超材料、凝聚态拓扑模拟两大领域具有双重推动作用。两篇研究均依托国家重点研发计划与国家自然科学基金相关项目支撑，理论推导、数值仿真、多组对照实验完整闭环，为后续多拓扑效应融合的多功能声学芯片开发奠定坚实理论与实验基础。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/wjh8-tlvd

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