On the design of elastic waveguides leveraging topological metamaterials

Topological Insulators are new phases of matter characterized by insulating behavior in the bulk of the material and high conductivity on the surface. Moreover, the conductive states feature the so-called property of topological protection. The energy transfer is indeed immune to backscattering at a broad range of defects. The possibility to emulate such behavior in other fields of study as photonics and acoustics has recently pushed the research on periodic structures to find analogues of the Quantum Hall (QH) physics which governs such phenomena. In this context, this thesis deals with the design of waveguides on elastic Phononic Crystals (PnCs) exploiting topologically protected edge states. In this way, elastic signals can be forced to follow sharp bends without showing backscattering. Moreover, the immunity against lattice defects makes such waveguides highly robust, showing an ideal transmissivity of 100%. Finally, for the first time in literature, this work exploits the use of smart piezoelectric inserts to achieve tunability in the structure. In particular, the path of the waveguide and the operating frequencies can be tuned at need. The development of devices capable to exploit the peculiar characteristics of Topologically Protected Edge Waves (TPEWs) can open new promising possibilities for wave propagation control, which can be of great benefit for example in energy harvesting applications and for mechanical signal transmission and manipulation (SAW devices).

Gli Isolanti Topologici sono nuove fasi della materia caratterizzate internamente da un comportamento isolante e da alta conduttività in superficie. Gli stati conduttivi presentano, inoltre, le cosiddette proprietà di protezione topologica: la loro propagazione è immune alla presenza di difetti nel materiale. La possibilità di emulare questo tipo di propagazione d'onda in altri campi di studio, come la fotonica e l'acustica, ha suscitato recentemente un grande interesse nell'ambito della ricerca scientifica riguardante le strutture periodiche. In questo contesto, questa tesi tratta la progettazione di guide d'onda su Cristalli Fononici, sfruttando i loro modi di bordo topologicamente protetti. In questo modo segnali meccanici possono essere forzati a seguire tragitti caratterizzati da angoli acuti senza mostrare riflessioni. Inoltre, l'immunità a difetti del reticolo rende queste guide d'onda particolarmente robuste, mostrando idealmente una trasmissività unitaria. Per la prima volta in letteratura, in questo lavoro degli inserti smart piezoelettrici sono stati utilizzati per conferire regolabilità alla guida d'onda. In particolare, il tragitto e le frequenze di lavoro posso essere modificati all'occorrenza. Lo sviluppo di dispositivi in grado di sfruttare le peculiari caratteristiche delle onde topologicamente protette può aprire nuove possibilità nel campo del controllo della propagazione d'onda che possono essere di grande interesse ad esempio in applicazioni legate all'energy harvesting o alla trasmissione e manipolazione di informazioni mediante segnali meccanici (SAW devices).