中山大学理学院副教授郑立洋 利用器件“新”材料 实现声波“新”操控

■文／徐 飞

自量子霍尔效应发现以来，拓扑的概念被引入物理学，许多拓扑相相继被验证。近几年，光子晶体、声子晶体等人工结构的拓扑效应成为拓扑物理的前沿研究阵地，研究成果具有积极且深远影响。

在声学领域，声波操控在医疗、深海探测、航空航天等领域有重大工程应用和战略意义，因此高效的操控声波是现代声学研究矢志不渝的努力方向。为了研发声波操控的关键技术，中山大学理学院副教授郑立洋围绕波在复杂人工介质中的新奇效应与物理机理开展研究，探索复杂人工介质在新型声/弹性波功能器件中的应用，收获系列研究成果。

在南京大学现代工程与应用科学学院硕士毕业后，郑立洋远赴法国勒芒大学攻读声学博士学位，围绕颗粒单层结构中的波动物理与拓扑性质等问题开展研究。在博士后阶段，郑立洋先后在法国国家科学研究中心勒芒大学声学实验室、西班牙马德里卡洛斯三世大学开展研究工作。2020年9月，郑立洋入选欧盟“Horizon 2020”研究与创新计划，获评CONEX-Plus 玛丽居里学者。

声拓扑绝缘体的边界单向传输因受拓扑保护而具有对缺陷的鲁棒性，在保密通信、传感技术等领域有巨大的应用前景。然而，当前声拓扑绝缘体的理论模型严重依赖于短管连接的空腔结构。因为通过将空腔看作“声原子”，短管当成原子间的化学键，便可实现声学版本紧束缚模型，因而直接找到与电子系统相对应的声拓扑绝缘体。

为了摆脱对短管-空腔结构的依赖，郑立洋与团队提出了声网络建模理论，摒弃空腔作为“声原子”的思路，通过将多个声波导管拼接，简单紧凑的二维或三维声网格结构被构造出来。该理论在准确描述声波的传播特性的同时确保了很宽的工作频率带宽，不仅避免了严重的声能损耗，而且结构紧凑轻巧。他们发现将该理论与拓扑能带论结合，声波的拓扑特性便能够被细致研究，可为发现新颖声拓扑材料提供指导。

在声束成型与辐射方面的技术，考虑到常规声学材料会导致波束能量快速衰减，很难实现可控的准直波束，利用声拓扑材料及其受拓扑保护的传输特点是探索相关技术的有效途径。基于不同声拓扑材料的特性，郑立洋与团队围绕拓扑声辐射与调控机制开展研究，先后提出基于声拓扑半金属特定的拓扑能带色散实现的拓扑声辐射，以及基于声拓扑绝缘体与声学增益介质实现的拓扑声束定向辐射。研究成果有助于实现多样化声场调控，推动声拓扑材料的工程应用和成果市场化。

此外，弹性波的拓扑效应与调控同样受到关注。然而由于弹性波复杂的多模式传输特点，使得弹性波的调控面临巨大挑战。为此，郑立洋与团队深入研究了一类新型的人工弹性体材料——颗粒声子晶体，并探索利用颗粒声子晶体丰富的动力学特性来设计弹性波拓扑器件的相关技术。经过多年的努力与汗水，他们从理论建模、模拟预测到实验认证三个层面成功构建了颗粒声子晶体波动力学的科学研究体系，为研究复杂弹性波的传播与调控提供了工具和手段。

2022年1月，郑立洋回国并在中山大学理学院担任副教授，努力结合已有的研究经验以及多年积累的良好国际合作关系，希望能够组建起“小而精”的智能材料与波功能器件的研究团队。郑立洋为自己定下了工作目标，那就是在为大湾区建设培养和输送相关人才的同时，积极实现相关成果市场转化，为实现国家重大关切和满足市场需求贡献力量。