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NI前沿案例系列 | 使用NI PXIe-4498加速声学拓扑态研究
研究背景
石墨烯是一种由碳原子组成的二维蜂窝晶格材料，因其卓越的物理化学性质而受到广泛关注，被誉为革命性材料。石墨烯在新能源电池、生物医学、海水淡化、光催化和声光调制等领域展示了巨大的应用潜力。通过将单层石墨烯卷曲，可形成一维的碳纳米管，其电子能带结构及拓扑性质与卷曲手性和周期内单元数密切相关。然而，现有技术难以精确控制碳纳米管的尺寸、形状和手性，导致相关研究主要停留在理论模型阶段，缺乏实验验证。
南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授、程营教授、张志旺副教授课题组在拓扑声子晶体研究方面取得了重要进展。研究团队利用声波导管网络理论，通过圆形硬散射柱排列成蜂窝晶格，构建了石墨烯及碳管结构的声学等效模型，并模拟了其声学特性。实验首次揭示了声学类碳管的能带结构及其拓扑性质随几何参数变化的关系。
研究表明，声学类碳管结构的能带和拓扑性质显著依赖于卷曲方向（手性）和圆周上单元数目。这一研究不仅深化了对碳纳米管拓扑性质的理解，还通过实验验证了其中拓扑边界态的存在，为未来基于拓扑声子晶体的声学功能器件设计提供了新思路。
*Structured sonic tube with carbon nanotube-like topological edge states, Nature Communications, 2022
然而，要实现这一目标，科研人员面临着如下挑战：
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精确测量和分析声学类碳管的能带结构：需要在声学等效结构的不同空间位置，测量并分析其频率响应，并计算其能带及拓扑性质。
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高精度数据采集：声学实验要求高精度的声压场数据采集，以便于准确计算Zak相位等拓扑不变量。
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实验复杂性：实验环境中需要对声子晶体进行多次调试和多点测量，要求数据采集设备具备高灵活性和多通道能力。
*图片引用自：Structured sonic tube with carbon nanotubelike topological edge states
解决方案
为了应对上述挑战，研究团队选择了NI的PXIe-4498高精度动态信号采集模块，结合LabVIEW软件平台，构建了一个高效的声学测量和分析系统。主要实验配置如下：
在声学领域， NI PXI产品表现出卓越的稳定性和精确性，能够捕捉到微小的声音变化，为声学研究人员提供精确可靠的数据支持。其高配置性和灵活性使得各种复杂的声学实验和测试变得易于执行，大大提高了声学研究和开发的效率。
—张志旺 副教授，国家级青年人才计划入选者，南京大学
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