近日，东北大学机械学院杨天智教授联合沈阳建筑大学石怀涛教授团队、美国罗文大学Chen Shen教授团队在“异质双层摩尔超表面”体系相关研究重取得重要突破，相关成果以”Acoustic Moiré Flat Bands in Twisted Heterobilayer Metasurface”。东北大学机械工程学院为第一完成单位，东北大学博士生范世达、韩承霖为共同第一作者，杨天智教授、石怀涛教授和Chen Shen教授为共同通讯作者。东北大学何宽、白亮和哈尔滨工业大学陈立群教授也对论文作出了重要贡献。
在微观尺度下，扭转双层二维材料（如同质扭转双层石墨烯，或异质扭转结构如石墨烯与二硫化钼MoS₂的组合）已展现出一系列新奇现象，包括超导、极化激元以及负折射成像等。然而，在宏观声学领域中，是否也能产生类似现象，目前仍属未知。传统声学摩尔超表面的研究主要集中在同质结构上，即通过旋转叠加两个具有相同晶格的超表面实现对声波的调控。本研究创新性地引入了一种基于不同晶格构建的异质双层声学匹配方法，为摩尔结构提供了全新的结构自由度，有效突破了传统同质双层超表面在声学操控方面的局限。我们设计并构建了由正方形晶格和三角形晶格组成的异质双层系统，不同晶格对应不同的色散关系，借助色散曲线的异质耦合，实现了可调控的魔角行为与拓扑相变，显著增强了双层结构的调控能力与应用潜力，并展现出类似激化激元特性的声波可控传输现象。
研究表明，当两个异质声学超表面以特定角度旋转叠加时，系统会经历拓扑相变，表现为波的传播特性从双曲型向椭圆型的转变。在某一特定“魔角”下，杂化色散曲线趋于平行，形成一个显著抑制衍射的平坦带，使声波能够以最小能量损耗实现高效传播。此外，异质摩尔声学系统在面对结构缺陷或局部扰动时展现出优越的鲁棒性，即使引入线性缺陷，其传播特性亦几乎不受影响。本研究突破了同质超表面设计的固有限制，为调控声波与材料之间的相互作用开辟了全新路径。
图1|异质双层系统的双曲表面极化。a, 正方形和三角形晶格的示意图、异质双层结构的概念图。b, 同质双层和异质双层的色散曲线杂化图。c, 双曲和椭圆模式之间声场模式的三维可视化。
以上工作获得国家万人计划青年拔尖人才、国家自然科学基金重点项目、中央高校基本科研业务费项目、国家自然科学基金科学中心项目的支持。
文章链接: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202418839?af=R