拓扑无线能量传输实验证明

基于磁共振及近场耦合的非辐射无线能量传输技术具有巨大的应用前景。然而，简单的双谐振器系统仅可工作于中短距离，复杂的多中继谐振系统虽然可应用于远距离传输，但是对微小扰动和制造缺陷等极为敏感。针对上述问题，浙江大学陈红胜、杨怡豪、皇甫江涛课题组以及新加坡南洋理工大学张柏乐课题组巧妙地在无线能量传输系统中引入拓扑绝缘体概念，设计并实验证实了受拓扑保护的无线能量传输系统，从而在微扰存在的情况下，实现极高能量传输效率。该研究工作在Science Bulletin 2021年第10期报道。

一百多年前，尼古拉·特斯拉开拓性地进行了无线能量传输的实验，他利用电磁波将能量从能量源直接传输到负载端，并没有借助传统的传输线来完成。近年来，基于磁共振以及近场耦合的非辐射无线能量传输技术在机器人、电动汽车、植入式生物医学设备等方面均有着巨大的应用前景，并已投入商业使用。随着传输距离变长，基于两个谐振器的无线能量传输系统的传输效率和功率会大幅度降低，由此，该系统仅可工作于中短距离（如图1a）。为了克服这个问题，多个中继谐振器被加入双谐振器系统中，从而形成了“多米诺骨牌”结构的多中继无线能量传输系统（如图1b）。随之而来的问题是，该复杂系统对微小扰动和制造缺陷等极为敏感。因此，实现远距离且不易受微扰影响的高效无线能量传输设备在科学研究和实际应用方面都显得极为重要。

图1 三种无线能量传输系统对比。(a) 双谐振器无线能量传输系统；(b)多中继无线能量传输系统；(c)拓扑无线能量传输系统

浙江大学陈红胜、杨怡豪、皇甫江涛课题组以及新加坡南洋理工大学张柏乐课题组在无线能量传输系统中引入拓扑绝缘体概念，设计并实验实现了拓扑无线能量传输系统。利用拓扑保护特性，该系统可以在微扰存在的情况下仍保持极高的能量传输效率。如图2所示，该系统由多个规则排列的线圈谐振器组成。物理上，此结构可以等效为具有复边界电势的宇称-时间对称的Su-Schrieffer-Heeger链。此外，该工作设计的线圈结构可以有效抑制不相邻线圈之间非必要的交叉耦合。图2同时展现了拓扑无线能量传输系统的工作原理：利用位于一维拓扑绝缘体两端的拓扑边界态之间的近场耦合，能量由激励源输入高效地传递到负载端，从而点亮灯泡。

图2 拓扑无线能量传输系统工作原理

图3展现了拓扑无线能量传输系统的传输特性。通过移动每个单元内线圈间距可以调节线圈间耦合系数，从而可以观测在不同拓扑特性下该系统的传输特性。实验测试发现，该系统在拓扑边界态的奇异点附近有着较高的传输效率。最后，在不同的微扰程度下，该工作理论和实验证实了该系统在奇异点附近仍可保持较高的传输效率和几乎可以忽略的频率偏移。

 图3 拓扑无线能量传输系统实验实现。(a)拓扑无线能量传输系统示意图；(b)单元结构能带图；(c)实验测量传输效率关于耦合系数以及工作频率关系图；(d)固定工作频率下测量的传输效率与耦合系数关系图

该工作设计了一种受拓扑保护的无线能量传输系统，理论和实验验证了该系统在微扰情况下于拓扑边界态的奇异点附近仍可保持极高的能量传输效率。该研究将拓扑材料、非厄米物理和无线能量传输技术三者结合，为未来电子、交通运输和工业中的长距离无线能量传输提供稳定、高效的传输平台。

资助机构：国家自然科学基金（61625502,11961141010, 61975176, U19A2054）、国家优秀青年科学基金、中央高校基本科研基金、新加坡教育部基金 (MOE2018-T2-1-022 (S), MOE2015-T2-1-070, MOE2016-T3-1-006, Tier 1RG174/16 (S))

文章信息：

Li Zhang, Yihao Yang, Zhao Jiang, Qiaolu Chen, Qinghui Yan, Zhouyi Wu, Baile Zhang, Jiangtao Huangfu, Hongsheng Chen. Demonstration of topological wireless power transfer, Science Bulletin, 2021, 66(10):974-980, DOI:10.1016/j.scib.2021.01.028