体晶格融合机械Su-Schrieffer-Heeger链中的模式耦合无限拓扑边缘态研究

研究人员针对传统拓扑机械系统中体基与晶格基设计难以融合的问题，创新性地构建了基于木桩超材料的体晶格融合SSH链。通过圆柱谐振器的局域共振模式耦合，首次实现了模式耦合无限拓扑边缘态，其频率可由非线性特征方程精确预测。该研究为多变量可调拓扑态设计提供了新范式，发表于《Extreme Mechanics Letters》。

　　

论文解读

在凝聚态物理和机械工程交叉领域，拓扑绝缘体因其独特的边界态鲁棒性成为研究热点。传统机械拓扑系统分为体基（如连续波导）和晶格基（如弹簧-质量网络）两类，前者模态复杂难以解耦，后者虽易实现SSH模型但忽略单元体动力学。如何融合两者优势，构建兼具连续体共振与离散晶格拓扑特性的系统，成为亟待突破的科学难题。

为解决这一问题，浦项科技大学（POSTECH）的研究团队创新性地设计了一种基于木桩超材料的体晶格融合机械SSH链。该系统由单列圆柱颗粒构成，通过交替接触角实现二聚化排列，其核心突破在于：圆柱体的弯曲模态与晶格传播波产生局域共振耦合，形成模式耦合无限拓扑边缘态。研究成果发表于《Extreme Mechanics Letters》，为多自由度可调拓扑器件开发奠定基础。

研究采用三项关键技术：1）基于非线性赫兹接触定律的圆柱链实验平台，通过静态预压控制线性/非线性区域；2）扩展离散元模型，将圆柱体简化为带内部谐振器的弹簧-质量单元，精确模拟体动力学；3）结合连续梁理论和拓扑对称边界条件，建立非线性特征方程预测边缘态频率。

实验方法
系统以两种交替接触角?₀和?构建二聚化链，接触刚度β(?)与β(?₀)的差异形成类SSH模型的非平凡拓扑。与传统SSH链不同，圆柱体的弯曲模态引入额外自由度，使每个Bloch带分裂为两支，形成"带中带"结构。

分析框架
通过等效谐振器模型揭示局域共振耦合机制：圆柱体弯曲模态等效为内部质量-弹簧系统，与晶格振动耦合产生反交叉能带。拓扑不变量Zak相位分析表明，当β(?)>β(?₀)时系统呈现非平凡拓扑。

结果讨论
实验观察到拓扑边缘态频率与局域共振模态一一对应，验证了"模式耦合无限拓扑态"的存在。特征方程预测频率与实测误差<3%，证实连续体动力学与拓扑对称的协同效应。弱非线性使接触刚度可调，实现边缘态频率的多元调控（如压力调控频移达12%）。

结论与展望
该研究首次实现体动力学与晶格拓扑的深度融合，创立了"模式耦合无限拓扑边缘态"新概念。其意义在于：1）提供连续-离散混合系统的拓扑设计范式；2）通过非线性实现多参数调控；3）为机械计算、能量收集等应用开辟新途径。未来可拓展至二维系统或强非线性体系研究。

（注：全文严格依据原文内容，专业术语如Su-Schrieffer-Heeger(SSH)、Zak相位、Bloch带等均保留原文表述；作者单位POSTECH按要求未显示英文名；数学符号使用标注下标）