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臧剑锋教授团队在软材料中观测到弹性拓扑态

作者:李帅锋 时间:2018-04-13 点击数:

近年来,拓扑绝缘体逐渐成为凝聚态物理领域的一个新热点,被认为是继石墨烯之后的Next Big Thing。数学中的拓扑概念描述了连续变形的空间,这个概念被用来描述晶体倒空间的能带,启发研究人员发现了一系列拓扑绝缘体,包括电子,光子,声子等。然而,弹性拓扑绝缘体发展较为落后,目前的研究主要集中于理论模型(弹簧-振子体系)和仿真计算(FEM等),实验观测鲜有报道,这就极大的限制了弹性拓扑绝缘体的应用。此外,由软材料制成的弹性拓扑绝缘体中从未报道过,因此,将软材料和弹性拓扑态结合,用力学方法调控拓扑性质,是一个有科学意义的课题。

最近,华中科技大学光学与电子信息学院臧剑锋教授团队在该领域取得突破性进展。2018年4月10日,自然子刊《自然•通讯》(Nature Communications,IF=12.124)在线发表了题为“Observation of Elastic Topological States in Soft Materials”的文章,文章链接:https://rdcu.be/K6Da

该团队利用弹性软材料能够可逆变形的特点,首次用实验方法观测到连续介质中的弹性拓扑态,并实现了弹性拓扑相的可逆转变和弹性拓扑态的动态调控。该团队用软材料Ecoflex制作成六角晶格的弹性超材料,研究了填充率和应变对弹性拓扑相的影响,发现通过调节填充率或者调节应变,可以对弹性超材料中弹性波的拓扑相进行可控调节。进一步,将拥有两种不同弹性拓扑相的超材料拼接在一起,就会在界面处形成弹性拓扑态,研究者通过实验测量和数值计算的方法观测到了弹性拓扑态,并且实验和计算吻合很好。由于软材料模量小易形变的特性,该团队又提出用力学形变来调控弹性拓扑态的方法,结果表明随着应变的增大,拓扑态会从无到有,并且相应频率逐渐降低。软材料和拓扑绝缘体的结合开创了柔性拓扑绝缘体的先河,为今后在振动隔离,波导传输和宏观(软体机器人)、微观(热传导)声子系统中的应用奠定良好的基础。

该项工作的第一作者为科研助理李帅锋,臧剑锋教授为通讯作者。其他作者包括物理学院副教授赵德刚,2017级直博生牛浩,物理学院副教授祝雪丰。李帅锋是华科材料学院2017届本科毕业生,大二时就加入臧剑锋课题组学习,现在已被华盛顿大学西雅图分校PhD全奖录取。李帅锋在韩国仁川举行的The 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics 2017 (META’17)上把凭该成果获得最佳墙报奖,现场由大会主席Junsuk Rho教授为李帅锋颁奖。

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臧剑锋教授领导的软纳米材料与器件实验室以柔性纳米器件和新材料为核心,运用软物质技术和纳米技术,设计和制造具有非凡性能的柔性功能器件和系统,来应对面向软体机器人、柔性电子、光电子、能源和健康等领域的前沿与挑战。

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