声子晶体文章好中吗

声子晶体文章好中吗

声子晶体存在弹性波带隙、弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体（Phononic Crystals）。声子晶体的概念是类比光子晶体的概念提出来的。类似于光子在光子晶体中的传播，弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系（能带结构），色散关系曲线之间的频率范围称为带隙。理论上，带隙频率范围的弹性波传播被抑制，而其它频率范围（通带）的弹性波将在色散关系的作用下无损耗地传播。当声子晶体的周期结构存在缺陷时，带隙频率范围内的弹性波将被局域在缺陷处，或沿缺陷传播。因此，声子晶体可用于控制弹性波的传播，在新型声学器件、减振降噪领域具有广阔的应用前景。在声子晶体中，与弹性波传播相关的密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，分布在格点上相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的背景介质材料称为基体。声子晶体按其周期结构的维数可分为一维、二维和三维.理想的声子晶体模型一般认为在非周期方向上具有无限尺寸，这种假设只有在波长远小于非周期方向尺寸时才合理。由于固体中弹性波传播速度较快，实际工程中广泛应用的梁、板等结构均不能满足这一条件，因此，研究非周期方向上为有限尺寸的周期结构更有实际意义。为了区别于一维、二维理想声子晶体，可将这类周期结构称为声子晶体结构。研究表明，声子晶体梁板类结构同样具有带隙特性。

声子晶体的定义分类

弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体（Phononic Crystals）。声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。通过类比光子晶体，人们发现弹性波在周期弹性复合介质中传播时，也会产生类似于光子带隙的弹性波带隙，从而提出了声子晶体的概念。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围（带隙）内被阻止传播，而在其他频率范围（通带）可以无损耗地传播。研究认为，声子晶体带隙产生的机理有两种：布拉格（Bragg）散射型和局域共振型。前者主要是结构的周期性起着主导作用，当入射弹性波的波长与结构的特征长度（晶格常数）相近时，将受到结构强烈的散射。后者主要是单个散射体的共振特性起主导作用。

什么是声子?

声子是晶体中晶格集体激发的准粒子，化学势为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。

声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”

对此，我们可以更详细地予以解释。在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。在晶体中，原子并非是静止的，它们总是围绕着其平衡位置在作不断的振动。另一方面，这些原子又通过其间的相互作用力而连系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。形象地讲，若把原子比作小球的话，整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成，而小球之间又彼此由弹簧连接起来一般，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。这种振动在理论上可以认为是一系列基本的振动（即简正振动）的叠加。当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时（这在一般情况下总是固体中在定量上高度正确的原子运动图象），如果我们在原子振动的势能展开式中只取到平方项的话（这即所谓的简谐近似），那么，这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。换句话说，每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率ω、波长λ和一定传播方向的弹性波，整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量将是连续的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，只能取ω的整数倍，即En＝（n＋1/2）hω（其中1／2hω为零点能）。这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为hω的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。

武大：在狄拉克半金属中，实现三维声子，为控制声音开辟新方式！

狄拉克半金属是拓扑上不同相的临界态，这种无间隙拓扑态是通过带反转机制实现的，在这种机制中，狄拉克点可以被微扰成对湮没，而不会改变系统的对称性。现在我们中国的科学家发表了一项实验观察到的狄拉克点，这些点完全是由使用非对称声子晶体的晶体对称性加强，在实验中展示了新的拓扑表面态，发现物质的新拓扑态已成为基础物理和材料科学的重要目标。

三维Dirac半金属(DSM)具有许多奇异的输运性质，如反常磁电阻和超高迁移率，是研究拓扑相变和其他新颖拓扑量子态的特殊平台。作为(3+1)维狄拉克真空固态实现也是最有意义的，到目前为止，实现的狄拉克点总是成对出现，通过不断调整参数以保持系统的对称性，可以通过它们的合并和成对湮灭来消除这些狄拉克点，在发表在《光：科学与应用》期刊上的新研究中：

（上图图示：狄拉克）来自我们中国教育部人工微结构教育部重点实验室和武汉大学物理技术学院的科学家们，报道了一种三维声子晶体的实验实现。该晶体在布里渊带角拥有对称性增强的狄拉克点，与现有DSM明显不同的是，Dirac点出现是材料非对称空间群的必然结果，如果不改变晶体的对称性，这种空间群是不可能被移除的。除了通过角度分辨透射测量直接识别的狄拉克点之外，表面测量和相关的傅里叶光谱还揭示了高度复杂的四螺旋面表面态。

（上图所示）声子晶体的体心立方单元(左面板)及其(010)面(右面板)示意图，具有两个滑动镜Gx和Gz。B、三维体心立方BZ及其(010)面BZ。彩色球体以相等的频率突出显示块状狄拉克点及其在表面BZ上的投影。C、沿几个高对称性方向模拟的体带。D、四螺旋面表面态分散示意图(彩色表面)，其中灰色锥体标记体态的投影。E、沿以P为中心半径为0.4π/a圆形动量环(如f所示)模拟的表面带。阴影区域表示投影的主体状态。F、在表面BZ的第一象限模拟的表面色散的三维曲线图。

具体地说，表面态是由四个无间隙的交叉螺旋分支组成，因此与现在在电子和光子系统中观察到的双费米弧表面态有显著不同。科学家们预测：这项研究可能会为控制声音开辟新的方式，比如实现异常的声音散射和辐射，考虑狄拉克点周围的锥形色散和状态消失密度。狄拉克点周围的色散是各向同性的，因此，宏观系统是模拟相对论狄拉克物理的一个很好的平台。

狄拉克半金属是具有四重简并狄拉克点的材料，是拓扑上截然不同的相的临界态。这种无间隙拓扑态是通过带反转机制实现的，在这种机制中，狄拉克点可以被微扰成对湮没，而不会改变系统的对称性，研究利用非对称三维声子晶体完全由晶体对称性加强的狄拉克点的实验观察。有趣的是，狄拉克声子晶体拥有四个螺旋拓扑表面态，其中相反螺旋度的表面态沿着特定动量线无间隔相交，额外的表面测量证实了这一点。

声子晶体的局域共振型

局域共振型声子晶体的概念最早于2000年由刘正猷在Science上提出，他们用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，进行了相应的实验。理论和实验都证实这一单元特征长度为2cm的结构具有低于400Hz的低频带隙，比同样尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。近十年，由于其优越的低频特性吸引了很多学者的分析和研究。近十年，局域共振型声子晶体由于其优越的低频特性吸引了很多学者的兴趣，大量文献对局域共振机理和传输特性进行了分析和研究。研究表明，在局域共振结构中，由于中间很软的包覆层的存在，将较硬的芯球连接在基体上，组成了具有低频的共振单元。当基体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了带隙的产生。局域共振型声子晶体的结构如右图所示。它的主要特点是：（1）带隙频率远低于相同晶格尺寸的布拉格（Bragg）带隙，实现了“小尺寸控制大波长”；（2）带结构中存在平直带，内部波场存在局域化共振现象；（3）带隙由单个散射体的局域共振特性决定，与它们的排列方式无关。（4）带隙宽度随填充率的增加而单调增加。对于域共振型声子晶体，在国际上还没有一个公认的科学的定义，以上四条基本特征，是认定域共振型声子晶体时常用的判据。