[0001] 本发明属于超材料技术领域，尤其涉及一种分数拓扑弹性信息存储装置。

[0002] 传统的弹性信息存储材料中，提高系统的能量储存率一直是研究人员关注的焦点。但是由于加工精度误差以及环境扰动的干扰，大部分能量信号在储能器件中被缺陷所散射。所以，能量储存率低一直是弹性信息储存器件中一个欲待解决的难题。2016年三位英美科学家理论发现了拓扑相变和拓扑相物质，材料内多个稳定的拓扑态，每个状态都具有非平凡的边缘模式，并表现出拓扑保护。鉴于此，拓扑相变理论已经从凝聚态物理广泛推广到了储存器件的设计。而对于常规的拓扑信息储存装置，装置的制备以及测量装置的搭建往往具有一定的困难，并且其测量过程还存在给存储的信息带来改变的隐患以及基础测量精度要求较大的缺点。

[0027] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0028] 本发明巧妙运用超材料的可调控性能构建了一个基于SSH模型的一维以及二维拓扑相的系统来优化传统弹性信息存储器件的结构设计，目的在通过结构优化来提高传统弹性信息器件的能量储存率。

[0029] 由于弹性超材料中存在独特调控性能，为了深入探究弹性超材料中的拓扑行为，引入了凝聚态物理中的一维SSH(Su‑Schrieffer‑Heeger)模型为理论框架，创建了一个具有共存拓扑相的弹性信息储存系统。通过实验表征和数值模拟的结合，本实施例展示了可调控超材料内存在稳定的拓扑态及其态密度分布。其可以稳定的储存弹性信息。本实施例的研究结果强调了可调控弹性超材料作为从能量收集到信息处理的应用前景。

[0030] SSH模型描述了通过一组耦合的机械振子的周期性晶格传播的弹性波。通过以矩阵形式导出哈密顿量，考虑相邻振子之间的原子间耦合强度和相位差异以建立打开和关闭能隙的条件。这些条件决定了在超材料中出现拓扑态。

[0031] 本实施例对双稳态晶格的紧束缚模型是一维SSH模型的扩展，其哈密顿量如下：

[0032]

[0033] H即代表了哈密顿量，SSH模型中一个原胞由两个不同的格点(A、B)组成，对于总共N个原胞的模型，n为原胞编号。t1与t2为两种格点间两种不同的耦合大小，H.c.代表厄密共轭。

[0034] 上文中一维SSH模型的体拓扑可以通过极化来表征，表示为：

[0035]

[0036] p代表了极化强度，uk代表了在k空间下模型的波矢， 代表对k求偏导，dk为积分中的变化量。该公式在布里渊区内计算每个波矢k的能带波函数内积和波矢导数的乘积，并将其在整个布里渊区上积分。这产生了一个拓扑不变量，即拓扑极化。拓扑极化的结果是一个量子化的值，在存在边界态时，拓扑极化不为零。它用于表征系统的拓扑相，例如拓扑绝缘体和拓扑金属的情况。

[0037] 在实验中，分数电荷是通过与频率和空间域中拓扑态分布相关的局域态密度ρi(ω)积分获得的：

[0038]

[0039] 其中，Qω为计算所得的分数电荷，ρi(ω)是指编号p的原胞(unitp)内的第i个格点处的局域态密度，频率ωgap是积分的频率上限，代表了处于带隙中的截止频率,dω为积分中频率的变化量。分数电荷是对原胞p(unitp)中的所有位置的局域态密度进行累加，而后者与Green函数的虚部相对应:

[0040]

[0041] 其中，对于由N个原子组成的系统，格林函数 具有张量的形式,这来自于与系统的第j个态对应的哈密顿量的归一化的双正交右 和左 本征矢量。ω指频率，而 是对应于第j个态的本征值，i指虚数单位，ηj是对应于第j个态的损耗系数。

[0042] 本发明的一种分数拓扑弹性信息存储装置，是由若干个圆盘‑折线结构构成的n维结构，如图1所示，每个圆盘‑折线结构相同当前圆盘‑折线结构包括第一、第二圆盘，第一、第二Z型连杆，所述第一圆盘的右侧和第二圆盘的左侧之间通过第一Z型连杆链接；第二圆盘的右侧与下一个圆盘‑折线结构的第一圆盘之间通过第二z型连杆连接。

[0043] 所述第一圆盘与第二圆盘的大小相等；第一z型连杆的宽度为w1，第二z型连杆的宽度为w2且w1≠w2；

[0044] 采用有限元求解器进行全波模拟计算该装置的能态分布特征，并在计算过程中为了确保一、二维近似的有效性，分别在一维和二维装置的四周采用了自由边界条件。

[0045] 所述自由边界条件为采用弹性带将分数拓扑弹性信息存储装置垂直的悬挂与刚性支架上，且弹性带与装置的接触面积要尽可能的小的同时保证整体装置在面外方向上不收额外力的影响。

[0046] 在光学实验验证中，采用连续激光探头来探测一、二维周期链上晶格点的面外弹性信息量。使用了带有OFV‑505探头的POLYTEC激光测振仪OFV‑5000，其带宽为2.5MHz。声源由模态激振器SA‑JZ002提供，带宽为15kHz。通过激光探头测得圆盘的振动位移，[0047] 由于Purcell效应,由具有恒定源强度Q的点源激发引起的弹性波系统上定义的Green函数的虚部(对应局域态密度)，与激发的波函数成正比，而该波函数即对应于在点源处观察到的位移u。因此，通过在激发过程中测量每个点源处的位移。即可以得到该点源所在模型内局域态密度的分布。

[0048] 根据公式3采用如下公式计算该装置的分数电荷的值Qω：

[0049]

[0050] 其中，ωgap为预设的上限值，unit p表示单元格中圆盘‑折线结构的圆盘的总个数，ρi(ω)表示单元格中第i个圆盘的局域态密度。

[0051] 本实施例中当该信息存储装置为一维结构时，晶格常数为a＝100.03mm，第一圆盘与第二圆盘之间的水平距离L1＝49.9mm，第二圆盘与下一个圆盘‑折线结构中第一圆盘之间的水平距离L2＝50.4mm，第一Z型连杆的宽度w1＝1.3mm，第二Z型连杆的宽度w＝2.1mm，第一圆盘和第二圆盘的半径均为15mm，第一圆盘和第二圆盘的厚度均为1.75mm，Z型连杆偏离中心线5mm，所述中心线为两个圆盘的圆心连接构成的水平线，由于平移对称性的破坏，形成了全方向带隙。带隙范围为16.40kHz到16.58kHz。

[0052] 本实施例中当该信息存储装置为二维结构时，第一圆盘与第二圆盘之间的水平距离L1＝50.8mm,第二圆盘与下一个圆盘‑折线结构之间的水平距离L2＝50mm，第一Z型连杆的宽度w1＝2mm,第二Z型连杆的宽度w＝1.1mm，第一圆盘和第二圆盘的半径均为15mm，第一圆盘和第二圆盘的厚度均为1.所述中心线为两个圆盘的圆心连接构成的水平，带隙内的局域态的对应频率为16.52kHz。

[0053] 图2为本发明的1D SSH模型中的分数拓扑荷。拓扑荷分布与胞内耦合r和胞间耦合s之间的比值有关，如图2中的(a)所示。如图2中的(b)所示由于反射对称性将晶格分为两个部分，在模型边界处存在电荷Q＝e/2，其中发生了填充异常。通过在激发过程中测量每个点源处的位移，可以直接获得相应的LDOS。设置适当的上限，可以得到填充异常相应态的分数拓扑荷，如图2中的(c)所示。图2(c)中的浅蓝色区域表示费米能级下的积分域，其中位移曲线与图2中(a)中的点源相应位置的颜色相同。然而，当原胞内耦合系数r与原胞间耦合系数s的比值远离极限0时，边缘处局域的分数电荷逐渐扩散到体内。如图2中(d)所示，在1D SSH模型中，随着r/s比的变化，本发明计算了第m个单元的分数拓扑荷。

[0054] 图3为本发明的1D SSH模型的构建。如图3中(a)所示，可调谐的圆盘和不同的折线结构被构建为具有一定厚度以模拟原子及其耦合。如图3中(b)所示，在长度为a＝L1+L2的单元胞模拟中，在布里渊区的点O和点E分别展示了宇称的奇偶性，因此它们之间的第一能带存在奇偶反演。至于图2中提到的有限尺寸的1D SSH模型，使用相同的结构参数构建了如图3中(c)所示的弹性晶格。其模拟和计算的能带如图3中(d)所示，可以看到在能带间隙中出现了两个边界态。图3中(e)展示了能带间隙中边界态的模拟波函数，其局域在模型的两端。

[0055] 图4为本发明的1D SSH模型的实验。在实验设置中，样品的每个圆盘的两侧都粘贴了压电换能器和反光贴纸(如图4中的(a)所示)，如图4中的(b)所示，样品悬挂在合适的位置并确保不受垂直外部干扰。通过将啁啾信号输入到目标圆盘后面的压电换能器，利用聚焦在反光贴纸上的Polytec OFV‑055激光测振仪，可以精确测量位移信号。将每个圆盘的中心点设为测量点，可以测量位移u，经验证其与每个位置的LDOS相对应。通过对这些频域内的位移信号进行傅立叶变换，得到位移曲线进而得到每个单元格的归一化分数拓扑荷，其中一部分测得的位移曲线如图4中的(c)所示。如图4中的(d)所示将实验结果与1D SSH模型的理论计算进行比较，也可以看到在这个实际模型中边缘拓扑荷的轻微扩散。

[0056] 图5为本发明的2D向错模型的构建。提出了一种重新设计的晶格，如图5中的(a)所示，该晶格设计方法为：

[0057] 步骤1：设置第h行第g列单元格：将两个水平方向上的第一圆盘‑折线结构和第二圆盘‑折线结构上下对齐放置，且在竖直方向上第一圆盘‑折线结构和第二圆盘‑折线结构中的圆盘构成竖直方向上的圆盘‑折线结构，h＝1,2,…,H,g＝1,2,…,G；H表示总行数，G表示总列数；

[0058] 步骤2：该第h行第g列单元格通过水平方向上的两个圆盘‑折线结构中的第二Z型连接杆与第h行第g+1列的单元格连接，该第h行第g列单元格通过竖直方向上的两个圆盘‑折线结构中的第二Z型连接杆与第h+1行第g列的单元格连接；

[0059] 步骤3：得到H行G列的晶格，裁剪掉整个晶格右上角的1/4，然后将缺口处拼接，图5中的H为奇数，则拼接后的晶格的中心点位于某个单元格内；

[0060] 步骤4：将拼接后的二维结构的分数拓扑弹性信息存储装置进行调整，使得所有的第一Z型连接杆的长度相等，所有的第二Z型连接杆的长度相等。

[0061] 图5中的(b)、(c)、(d)、(e)分别展示了拓扑晶体绝缘体(TCI)和一般绝缘体(NI)相的理论晶格以及弹性晶格的相应平面图。

[0062] 图6为本发明的2D向错模型的实验。与1D SSH模型类似，如图6中的(a)所示对于两种2D向错模型，压电传感器和反光贴纸都固定在所有圆盘的表面上。图6中的(b)中展示了在TCI相中代表性位置的测得位移，对应于背景中显示的能带。图6中的(b)还显示了TCI相的能态分布和代表性本征模式，其中角态位于中心体带内。图6中的(c)和图6中的(d)分别呈现了实验结果和理论计算之间的比较，其中彩色块分别表示TCI相和NI相。

[0063] 图7为本发明的另外一种2D向错模型的构建，具体采用步骤1～4方法进行构建。如图7中的(a)所示，当初始晶格的一侧有偶数个单元格，导致拼接后的晶格的中心点位于单元格交界处的中心，形成一种新型的向错结构；类似于前述的TCI相，如图7中的(b)所示，该晶格也在弹性晶格内进行了重新设计和构建，将原有的耦合改为了具有更多平行和对称的结构。考虑到覆盖了价带的费米能级，相应的Wannier中心如图7中的(c)所示。理想情况下，考虑到模型中的实际耦合，每个单元格内的分数电荷分布如图7中的(d)所示。与理论计算相比，如图7中的(e)所示模拟的能带也表现出良好的一致性。

[0064] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。