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探索全新的電子操控方式一直是凝聚態(tài)物理的重要目標(biāo)。最近，電子的谷自由度正引起越來(lái)越多的關(guān)注。谷自由度，也稱為谷贗自旋，它標(biāo)記動(dòng)量空間中分立的能量極值態(tài)。能谷態(tài)不僅廣泛出現(xiàn)于常規(guī)半導(dǎo)體材料中，也存在于當(dāng)下熱門(mén)的二維晶體中，如石墨烯、二硫化鉬等。當(dāng)不等價(jià)谷間的電子散射很弱時(shí)，谷指數(shù)成為描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的好參量。如同自旋電子學(xué)中的自旋自由度，谷自由度也可視為一種新的信息載體并用于設(shè)計(jì)新型電子器件，這促成新興的谷電子學(xué)。最近，人們已經(jīng)理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)觀察到許多令人興奮的谷態(tài)輸運(yùn)特性，如谷霍爾效應(yīng)等。

由于周期結(jié)構(gòu)中波動(dòng)行為的相似性，谷狀色散關(guān)系也常在經(jīng)典波人工結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)。自上世紀(jì)80年代末以來(lái)，光波、聲波等經(jīng)典波在周期性人工結(jié)構(gòu)中的奇異傳播行為引起了人們的廣泛關(guān)注。類(lèi)比于晶體，這些人工結(jié)構(gòu)被稱為光子晶體或聲子晶體。它們的主要特點(diǎn)在于，當(dāng)波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)周期可比擬時(shí)，在其中傳播的經(jīng)典波會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的布拉格散射，從而產(chǎn)生頻率帶隙。與此同時(shí)，周期結(jié)構(gòu)的散射也導(dǎo)致通帶的性質(zhì)顯著不同于均勻介質(zhì)，從而產(chǎn)生大量新奇的光、聲傳播特性，例如負(fù)折射、零折射效應(yīng)等。此外，一些有趣的量子波動(dòng)效應(yīng)也相繼在這些經(jīng)典體系中被發(fā)現(xiàn)，例如安德森局域化、布洛赫振蕩等。鑒于人工結(jié)構(gòu)的宏觀特性，結(jié)構(gòu)單元的幾何對(duì)稱性及單元之間的耦合強(qiáng)度靈活可控，最近這些經(jīng)典波體系也被視為檢驗(yàn)或?qū)崿F(xiàn)拓?fù)湮锢淼膬?yōu)良平臺(tái)。

最近，武漢大學(xué)物理學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)將谷態(tài)的概念引入到經(jīng)典體系中，揭示聲谷態(tài)的渦旋屬性并探討相應(yīng)的激發(fā)選擇定則。具體地，聲子晶體由正三角形散射體按六角晶格排列而成，旋轉(zhuǎn)散射體可以產(chǎn)生不同的晶體對(duì)稱性。對(duì)于某些特定的散射體取向，聲子晶體可以支持狄拉克錐狀色散；而對(duì)于更一般的情形，狄拉克簡(jiǎn)并打開(kāi)并形成谷態(tài)。如圖1所示，這些谷態(tài)具備分立的角量子數(shù)及渦旋特性。研究表明，聲谷態(tài)可以通過(guò)兩種不同的方式選擇性地激發(fā)，即平行動(dòng)量守恒機(jī)制、角量子數(shù)匹配機(jī)制。不同于凝聚態(tài)固體體系，即產(chǎn)生、探測(cè)純的電子谷極化態(tài)通常需要其它外場(chǎng)的協(xié)助（如應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)等），聲波體系的谷態(tài)可以直接由特定頻率的外來(lái)聲場(chǎng)激發(fā)，并通過(guò)探測(cè)晶體內(nèi)外的聲場(chǎng)分布直接表征谷極化的純度。

圖2 聲子晶體及聲谷霍爾相變。

基于聲谷態(tài)概念，以上研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了聲子晶體中的邊界拓?fù)漭斶\(yùn)行為。對(duì)于電子體系，邊界拓?fù)涔容斶\(yùn)已經(jīng)引起了人們的強(qiáng)烈興趣。其中代表性的體系為外電場(chǎng)下的雙層石墨烯結(jié)構(gòu)：通過(guò)調(diào)控層間的堆垛方式及外電場(chǎng)的取向，可以產(chǎn)生不同的谷霍爾絕緣體，進(jìn)而在不同絕緣相的邊界預(yù)測(cè)、觀察受拓?fù)浔Ｗo(hù)的電子邊界態(tài)。對(duì)于聲波體系，研究所涉及的聲子晶體依然由正三角形散射體構(gòu)成，順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)散射體可以實(shí)現(xiàn)不同谷霍爾相之間的轉(zhuǎn)變。如圖2所示，不同谷霍爾相由聲谷態(tài)的渦旋取向和位置特性共同刻畫(huà)。進(jìn)一步研究表明，在兩異相聲子晶體之間的界面可以支持受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界態(tài)。這種邊界態(tài)具備一些傳統(tǒng)聲波導(dǎo)態(tài)所沒(méi)有的新穎性質(zhì)，例如谷選擇性激發(fā)、拐彎抗反射傳播等（見(jiàn)圖3）。

圖3 聲波在彎曲通道內(nèi)無(wú)反射地傳播

通道由‘NP’狀晶體邊界構(gòu)成。