近日，中国科学技术大学苏州高等研究院的蒋建华教授课题组与武汉大学刘正猷教授等课题组合作，在物理学顶级综述期刊《Reports on Progress in Physics》上发表综述文章 “Topological phononic metamaterials”，全面回顾了过去十几年来拓扑声子超材料领域的蓬勃发展，并对这一热门的新兴领域进行了开放性展望。
拓扑能带理论已经成为研究凝聚态系统的一个经典范式，很多前所未有的物理现象和性质从而被发现，尤其是免疫缺陷的拓扑边界模式。近年来，得益于声子超材料具有非凡的可调控性以及多样的测量方法等技术优势，这种范式被扩展到声子超材料当中 (包括机械超材料和声学超材料)，由此产生了其他系统所没有观察到的非凡现象。这些现象包括但不限于拓扑负性折射，拓扑“sasers” (即激光的声子模拟)，高阶拓扑绝缘态，非阿贝尔拓扑相，高阶Weyl半金属相，Dirac涡旋中的Majorana-like模，脆弱拓扑绝缘体中的谱流现象等等。
图1：声学高阶Weyl半金属相。(a)-(d) 基于breathing Kagome格子的声学高阶半金属；(e)-(h) 基于四极子模型的声学高阶半金属
本文从理论和实验两个角度全面综述了拓扑声子超材料领域的研究进展。文章首先从早期的声子拓扑的工作介绍入手，循序渐进，引出了拓扑声子超材料领域的发展开端。紧接着介绍了拓扑超材料领域的一些基础术语、例如高阶拓扑的概念、Wilson loop的计算，Jackiw-Rebbi理论等，并着重阐述了背后的物理机制。随后，根据不同拓扑态的分类，例如Vally Hall声子晶体、声学Chern绝缘体、声学半金属、高阶拓扑绝缘体 (如图1)、非阿贝尔拓扑态、拓扑缺陷态 (如图2) 等，文章进行了全面回顾。
图2：声学拓扑缺陷态。(a)-(d) 弱拓扑绝缘体中的螺位错拓扑缺陷态；(e)-(g) 高阶拓扑绝缘体中螺位错产生的拓扑Wannier循环
另外，文章设置了独立章节，重点讨论了拓扑声子超材料与非厄米效应、合成维度、人工规范场、Floquet系统、拓扑泵浦现象、拓扑活性物质、双层扭转系统等不同自由度的相互作用及实验进展。最后，作者展望了这一领域发展所面临的挑战、机遇和潜在的应用，例如拓扑声镊、片上拓扑器件、拓扑激声等，以及对物理和材料科学的潜在影响。
论文的第一单位为中国科学技术大学苏州高等研究院。共同第一作者为中国海洋大学的朱伟伟教授，武汉大学的邓伟胤和陆久阳教授，苏州大学博士生刘洋，和宁波大学的王海啸教授。通讯作者为中国科大的蒋建华教授和武汉大学刘正猷教授。华南理工大学的黄学勤教授和苏州大学博士生林志康也对论文撰写有重要贡献。该项研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/aceeee
（生物医学工程学院、科研部）
