<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Acoust.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Acoustics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Acoust.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2813-8082</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1529474</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/facou.2025.1529474</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Acoustics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Inverse design of topological diatomic lattices based on complex phase locus</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a and Ma</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/facou.2025.1529474">10.3389/facou.2025.1529474</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes" equal-contrib="yes">
<name>
<surname>Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a</surname>
<given-names>Hasan B.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/685092/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/resources/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes" equal-contrib="yes">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>Jihong A.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2897873/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/resources/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Mechanical Engineering</institution>, <institution>Union College</institution>, <addr-line>Schenectady</addr-line>, <addr-line>NY</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Mechanical Engineering</institution>, <institution>University of Vermont</institution>, <addr-line>Burlington</addr-line>, <addr-line>VT</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>University of Vermont</institution>, <addr-line>Burlington</addr-line>, <addr-line>VT</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1250169/overview">Raj Kumar Pal</ext-link>, Kansas State University, United States</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/549088/overview">Georgios Theocharis</ext-link>, UMR6613 Laboratoire d&#x2019;Acoustique de l&#x2019;Universite du Maine (LAUM), France</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2505456/overview">Murat Kaynak</ext-link>, Harvard Medical School, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/974019/overview">Patrick Andrew Dorin</ext-link>, University of Michigan, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1444072/overview">Zongliang Du</ext-link>, Dalian University of Technology, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Hasan B. Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a, <email>albabaah@union.edu</email>; Jihong A. Ma, <email>jihong.Ma@uvm.edu</email>
</corresp>
<fn fn-type="equal" id="fn001">
<label>
<sup>&#x2020;</sup>
</label>
<p>These authors have contributed equally to this work</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>04</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>3</volume>
<elocation-id>1529474</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>17</day>
<month>11</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>18</day>
<month>02</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a and Ma.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a and Ma</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Topological phononics and acoustics have recently garnered significant attention due to their promise of a wide range of advanced wave-controlling applications, including mechanical computing, energy harvesting, and noise isolation. Topological states are vibrational modes emerging inside frequency bandgaps, and typically follow the bulk-boundary correspondence, meaning that the topological features observed at boundaries are determined by the bulk properties&#x2014;the unit cell. Traditionally, topological states are characterized by analyzing the eigenvectors of the effective Hamiltonian of a given unit cell. However, this approach presents challenges when a rapid and accurate design is needed to achieve desirable topological characteristics as it often involves trial and error to obtain the ideal unit cell parameters. In this study, we propose a rigorous methodology to inversely design one-dimensional diatomic lattices based on the topological properties of complex phase loci, derived from the off-diagonal elements of the effective Hamiltonian. We discuss three representative shapes of complex phase loci: ellipse, epitrochoid, and hypotrochoid. Our methodology can be further expanded to higher dimensions, enabling more complex geometric designs for versatile topological phononic and acoustic features.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>diatomic lattice</kwd>
<kwd>winding number</kwd>
<kwd>dispersion analysis</kwd>
<kwd>complex phase</kwd>
<kwd>inverse design</kwd>
<kwd>epitrochoid</kwd>
<kwd>hypotrochoid</kwd>
<kwd>ellipse</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">National Aeronautics and Space Administration<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000104</named-content>
</contract-sponsor>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Acoustic Metamaterials</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Topological insulators (TIs) are materials that possess intrinsic bandgaps while being conducive on non-trivial surfaces, edges, or corners (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Haldane, 1988</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Hasan and Kane, 2010</xref>) due to the emergence of <italic>topological states</italic>. The number of topological states can typically be characterized using a topological invariant derived from their bulk properties&#x2014;a concept known as the &#x201c;bulk-boundary correspondence.&#x201d; Unlike trivial states, topological states of TIs are resilient to local perturbations and demonstrate high conductivity, making them promising for next-generation electronic and photonic devices (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Qi and Zhang, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Xu et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Politano et al., 2017</xref>).</p>
<p>In recent years, research into acoustoelastic and phononic analogs of TIs has gained momentum due to their unique ability to control phononic waves in unconventional ways. These analogs are robust against disorders, exhibiting no backscattering (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Roman and Sebastian, 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Nash et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Ma et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Pal et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Fleury et al., 2016</xref>), allowing them to function effectively as phononic waveguides (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Wang et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Ma et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Mousavi et al., 2015</xref>), diodes (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Liu et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Zhou et al., 2020</xref>), logic gates and switches (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Pirie et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Bahrami and Bahrami, 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Li et al., 2024</xref>), and acoustic topological field-effect transistors (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Lee et al., 2022</xref>). Meanwhile, the inverse design of acoustoelastic metamaterials to optimize topological states has also been proposed (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Christiansen et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Du et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Ding et al., 2024</xref>). Like their electronic counterparts, phononic topological states also appear to adhere to the principle of bulk-boundary correspondence and can be characterized by a topological invariant derived from the spectral evolution of the mechanical equivalent of Hamiltonian or eigenvector obtained through unit-cell analysis. For instance, the mechanical analog of the Su&#x2013;Schrieffer&#x2013;Heeger (SSH) model consists of identical masses, <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> connected by springs with alternating spring constants <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>). Such a mechanical system effectively yields an <italic>identical</italic> Hamiltonian to that of a typical SSH model. When <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a bandgap opens in the dispersion diagram (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>) and a complex (closed-loop) phase function naturally emerges (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>). The topological invariant of such a case is represented by the winding number, <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, of the circular phase function in the complex plane around the plane&#x2019;s origin (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Asb&#xf3;th et al., 2016</xref>). Systems with different winding numbers are rendered <italic>topologically distinct</italic>, and it has been commonly acknowledged that the difference in <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between two topologically distinct domains indicates the number of topological states at the domain boundary.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Schematic of a diatomic lattice with a circular complex phase locus. <bold>(B)</bold> Typical dispersion diagrams with the cases of <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to topologically trivial, transition (bandgap closing), and topologically non-trivial cases. Note that <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in this case. <bold>(C)</bold> Complex phase loci <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> projected on the complex plane for the three cases in subfigure <bold>(B)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g001.tif"/>
</fig>
<p>However, recent studies have shown that systems with more complex connection networks, such as alternating non-local interactions in SSH models (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Rajabpoor Alisepahi and Ma, 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Grundmann, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Liu et al., 2023</xref>), can exhibit multiple domain boundary states due to a higher <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enabled by the presence of third-nearest neighbors. Additionally, the winding trajectories in these systems differ from the circular paths seen in the simple SSH model, which only considers nearest neighbors (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>). Instead, these phase loci exhibit interesting shapes with intricate internal loops. Moreover, contrary to common belief, the presence of non-local interactions means that details in the shapes of these phase loci&#x2014;such as the Berry connection in one dimension (1D) (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Caji&#x107; et al., 2024</xref>) and Berry phase in 2D (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Dal Poggetto et al., 2024</xref>)&#x2014;are crucial for determining the actual number of topological states between two domains with different <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values. This is more significant than merely considering the difference in the winding number <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Caji&#x107; et al., 2024</xref>). These details truly reflect the actual number of domain boundary states, representing the phonon realization of the Jackiw&#x2013;Rebbi modes&#x2014;that is, the number of topological states is <italic>de facto</italic> determined by the number of Dirac points (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Jackiw and Rebbi, 1976</xref>) &#x2014;rather than by the winding numbers. Therefore, an analytical description of the detailed winding trajectories of these loci is essential for accurately characterizing the topology of systems with complex connection networks.</p>
<p>While it is now established that coupling beyond nearest neighbors in diatomic lattices uncovers new types of winding trajectories of the complex phase, controlling these trajectories and their overall shapes remains an open challenge. To address this knowledge gap, we propose a novel methodology that enables the selection of complex phase trajectories and facilitates the inverse design of a diatomic lattice exhibiting these intricate phase functions. We begin by revisiting the conventional diatomic lattice, characterized by a circular complex phase locus, and then discuss three representative locus shapes: ellipse, epitrochoid, and hypotrochoid. A step-by-step inverse design process is outlined for creating diatomic lattices that embody these complex loci. Furthermore, we establish connections between the mathematical features of these complex closed-loop locus geometries and the inversely designed diatomic lattices, analyzing their impact on the winding number through detailed parametric studies. By introducing this inverse-design methodology, our study lays the foundation for realizing wave-based acoustic and mechanical devices with complex and unconventional topological features, which are unattainable using simple lattices and structures.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Inverse design methodology</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Revisiting the 1D Su&#x2013;Schrieffer&#x2013;Heeger model: the circular locus</title>
<p>To introduce our inverse design methodology for complex closed-loop locus geometries, we begin our discussion by revisiting the well-established simple 1D mechanical analog of the SSH model with identical masses, <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and alternating springs with stiffness parameters, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>). The governing dynamical equations describing the displacements (<italic>i.e.</italic>, the first and second degrees of freedom <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) of the two masses in unit cell <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the stiffness matrix of the mechanical system, and the corresponding dispersion relation can be found in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>. The topological features are primarily represented by the chiral matrix, <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is derived by eliminating the identical diagonal elements from the stiffness matrix (which is also the effective Hamiltonian) and is given<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the wavenumber. The off-diagonal elements, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are complex conjugates; <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will be the focus of our discussion now. Here, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is referred to as the &#x201c;complex phase locus,&#x201d; which is a complex function of the wavenumber <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and stiffness parameters <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; it is expressed as,<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As detailed in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>, the eigenvalues of <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, denoted as <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can then be solved as:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Results of the normalized eigenvalues <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (with <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) for <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and different relationships between <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are presented in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>.</p>
<p>We now focus on how <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dictates the topology of the diatomic lattice. If <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> is depicted in the complex plane for a complete cycle of the wavenumber <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the result is a perfect circle with a radius of <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a center shifted horizontally by <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the origin. This can be easily proven by transforming the expression <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into the form:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>with <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) being the real (imaginary) part of <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equations 2</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, the <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values can be shown as:<disp-formula id="e5a">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5b">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>once again, representing a circle with the radius being <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equations 5a, b</xref> and the parametric variable (or angle) being <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The shift of the circle&#x2019;s center in the <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-direction is also evident by the addition of <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equation 5a</xref>. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>, the center of the circle is at the coordinates <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, located on the positive <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>real axis</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, since <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is required for dynamical stability (<inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is also enforced for the same reasoning). From the figure, we can count the number of times the locus <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> winds about the origin of the complex plane&#x2014;the winding number, <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;which characterizes the topological domain-boundary states of this simple SSH lattice. Such a winding number can be equivalently computed using the following integral:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Berry connection, defined as per <xref ref-type="bibr" rid="B7">Chiu et al. (2016)</xref>:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>tr</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>Here, <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the third Pauli matrix and <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mtext>tr</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the matrix trace.</p>
<p>For the conventional diatomic lattice, where the complex phase locus is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>, the Berry connection can be derived analytically. This involves evaluating the inverse and the <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-derivative of the chiral matrix <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> and substituting them into <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>. The resulting expression for the Berry connection is as follows:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By performing the integral in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> for the Berry connection (<italic>i.e.</italic>, the integrand) in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref> using MATLAB&#x2019;s symbolic toolbox, we obtain the winding number:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The topological invariant&#x2014;the winding number <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03BC;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as expressed in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>&#x2014;can thus be summarized as follows:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>As observed from <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1B, C</xref>, if <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the locus <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will wind the origin once, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, suggesting the choice of the unit cell being topological and <italic>vice versa</italic>.</p>
<p>In the following sections, we will inversely design diatomic lattices with complex networks based on the shape of <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by the relationship between <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>. Three examples of complex phase loci will be presented to demonstrate how to design a mechanical network system to achieve desired topological characteristics.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Ellipse</title>
<p>In this section, the inverse design methodology for a diatomic lattice based on an elliptical complex phase locus is detailed. Herein, the masses, <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, of the inverse-designed lattices are assumed to be constant throughout this study, and emphasis is placed on the spring interconnections. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>, the parametric form the <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coordinates for an ellipse, with its center being on the positive <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>real axis</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are given by:<disp-formula id="e11a">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11b">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> shifts the center of the ellipse from the origin of the complex plane, similar to its role in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Equation 5a</xref> for a circular locus. The parameters <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> define the semi-major and semi-minor axes of the ellipse, respectively. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e11b">Equations 11a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11a">11b</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>, we obtain the following:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>Notice that <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> reduces to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> when <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as a circle is a special case of an ellipse. The parameters <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> not only define the geometry of the ellipse but also determine the properties of the springs interconnecting the diatomic lattice.</p>
<p>To inversely design a lattice from the complex phase locus expressed in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>, we need to understand the roles of each term constituting <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in conjunction with the Bloch theorem. Recall that the terms <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the off-diagonal elements in the chiral matrix <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, which describes the coupling between the unit cell&#x2019;s degrees of freedom. For instance, <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the coupling between the second degree of freedom in the current unit cell <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the first degree of freedom <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The latter can be in the current cell or any other cell, expressed through the term <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Similarly, <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> couples the first degree of freedom to the second in any cell.</p>
<p>Thus, we can establish the interconnecting network between the two degrees of freedom based on the following three characteristics of <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Characteristic 1: The term <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> couples the two degrees of freedom within the current unit cell <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as it is independent of the wavenumber <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Characteristic 2: The second term, <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, is multiplied by <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicating that the second degree of freedom in cell <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is coupled with the first degree of freedom in the next cell, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressed as <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> per the Bloch theorem, through a spring constant <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Characteristic 3: The third term, <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, is multiplied by <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, suggesting that <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is connected with the first degree of freedom in the previous cell, <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, through a spring constant of <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, which requires a beyond-nearest-neighbor connection. To ensure dynamical stability, <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must be enforced.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Based on these three characteristics, the degrees of freedom are connected as described, resulting in the diatomic lattice in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, with the unit-cell equations of motion being:<disp-formula id="e13a">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13b">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13b)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Schematic of a diatomic lattice with a complex phase locus of an ellipse. <bold>(B)</bold> Dispersion diagrams of the lattice in Subfigure <bold>(A)</bold> with a constant <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in this case. <bold>(C)</bold> Complex phase loci <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> projected on the complex plane for the three cases in subfigure <bold>(B)</bold>. Analogous to the diatomic lattice with nearest neighbor interactions only (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>), the lattice is topologically non-trivial only if the locus (the ellipse in this case) winds the origin once (<inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), which happens if <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g002.tif"/>
</fig>
<p>We can observe that if the degrees of freedom in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13b">Equations 13a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13a">b</xref> are condensed via the Bloch theorem, the resulting stiffness matrix will have constant diagonal elements of <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> despite the introduction of a new spring constant <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Interestingly, the diagonal elements of the stiffness matrix for the diatomic lattice in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref> are identical to those of a conventional diatomic lattice (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>) without next-nearest-neighbor connections, <xref ref-type="app" rid="app1">(see Appendix A)</xref>. This similarity arises from the cancellation of the equal magnitude but opposite sign stiffnesses <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the nearest and next-nearest couplings.</p>
<p>To reveal the topological properties of the diatomic lattice with an elliptical phase locus in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, the winding number is calculated by performing the integral in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> for the chiral matrix <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> with <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11b">Equations 11a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11a">b</xref>. This process yields a closed-form expression for the winding number:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As with the conventional diatomic lattice with a circular locus in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>, the winding number is defined via <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>, indicating that it only depends on <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, provided that <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to ensure dynamical stability. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2B, C</xref> illustrate the dispersion relation and the corresponding complex phase loci, respectively, for three cases: (i) topologically trivial <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, (ii) topological transition <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the sole bandgap closed, and (iii) topologically nontrivial <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The last case can be inferred by the winding of the ellipse around the origin of the complex plane (i.e., <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as indicated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>), which is clearly seen in the right-most panel of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2C</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Epitrochoid</title>
<p>Next, we shift our focus to a more complex family of loci known as epitrochoids, whose general form is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. Epitrochoids are closed-loop roulettes generated by tracing a point fixed at a distance <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (initially pointing to the negative real axis) from the center of a circle with radius <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Termed the &#x201c;epicycle,&#x201d; this circle rolls counterclockwise without slipping around the <italic>outside</italic> surface of a stationary circle of radius <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, completing a closed loop. The stationary circle is assumed to have its center on the positive real axis, with a horizontal distance of <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the origin of the complex plane. Here, we define an integer <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that takes a value greater than 2; its relationship to the inversely-designed lattice will be explained shortly. Additionally, depending on the epitrochoid parameters, this integer <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determines the number of internal loops the epitrochoid may exhibit&#x2014;specifically <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> internal loops.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Complex phase locus of an epitrochoid shape, shown for <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> internal loops; its geometrical properties are related to the stiffness parameters in the diatomic lattice (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>). <bold>(B)</bold> Multiple special cases of the epitrochoid shown for reference, along with their respective parameters, including (<bold>i</bold>) epicycloid, (<bold>ii</bold>) looped lima&#xe7;on, (<bold>iii</bold>) dimpled lima&#xe7;on, and (<bold>iv</bold>) circle.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g003.tif"/>
</fig>
<p>From the general epitrochoid locus, various special cases can be derived by selecting different sets of parameters. For instance, when <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain epicycloids (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3Bi</xref>). When <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain a lima&#xe7;on (also known as &#x201c;Pascal&#x2019;s snail&#x201d;), similar to the system briefly discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B5">Chen et al. (2018)</xref>. For the latter, a looped lima&#xe7;on (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3Bii</xref>) occurs when <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, transitioning to a non-looped lima&#xe7;on when <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at which point the curves take the shape of an epicycloid with a single cusp (often called a &#x201c;cardioid&#x201d;). When <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the lima&#xe7;on curve loses its inner loop and features a dimple instead (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3Biii</xref>). Further reduction of the ratio below one-half smooths out the curve to a convex lima&#xe7;on until <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approaches 0, at which point the lima&#xe7;on converges to a circle (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3Biv</xref>). Note that <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> also results in a circle of radius <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is not of interest in this work. As discussed next, the parameters <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will be related to the spring constants of a diatomic lattice via the inverse design methodology.</p>
<p>Again, the inverse design of a diatomic lattice with an epitrochoid complex phase locus starts by explicitly stating <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parametric expressions in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref> for an epitrochoid, which are given by:<disp-formula id="e15a">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15b">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To construct the complex phase locus <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the epitrochoid roulette, the factor multiplied by the wavenumber in the cosine/sine arguments in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15b">Equations 15a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15a">b</xref> must be an integer <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, mandating that <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, the parametric equations in (<xref ref-type="disp-formula" rid="e15b">Equations 15a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15a">b</xref>) reduce to:<disp-formula id="e16a">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16b">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">Equations 16a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">b</xref> back into <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref> provides the expression of <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Following the methodology presented in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>, the diatomic lattice corresponding to the complex phase locus in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref> is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. Note that due to the negative stiffness <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coupling (as implied by <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>), an elastic foundation must be implemented to prevent dynamical instability. Consequently, adding an elastic foundation stiffness equal to twice <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is recommended. This adjustment results in the following equations of motion for the unit cell:<disp-formula id="e18a">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18b">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18b)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Schematic of a diatomic lattice with coupling beyond next neighbors, resulting in a complex phase locus of epitrochoid shape.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g004.tif"/>
</fig>
<p>After utilizing <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18a">Equations 18a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18b">b</xref> become<disp-formula id="e19a">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19b">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The topology of the diatomic lattice with an epitrochoid locus depends on the choice of the three stiffness parameters <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are dependent (as discussed above). Since <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19a">Equations 19a, b</xref> represents the sum of the spring constants connected to each mass in the lattice and remains constant, we define this spring constant as <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Recall that the integer <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the connection between one of the degrees of freedom in the current cell <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and its counterpart in the <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cell. Therefore, the choice of <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is constrained by a given set of <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, the parameter <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determines the center position of the complex locus, while <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> governs the size of the main loop. The stiffnesses <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> control the size of the epitrochoid&#x2019;s internal loops, if present. When the internal loops are much smaller than the main loop (<italic>i.e.</italic>, when <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the system exhibits only two possible winding numbers: 0 and <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, depending on whether <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is smaller or greater than <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This behavior aligns with that of a simple SSH model with weak or negligible non-local interactions. As the non-local spring constant <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases, the internal loops grow in size and begin to wind around the origin counter-clockwise. The winding number then assumes positive odd or even integers when <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is even or odd, respectively. This phenomenon can be attributed to the symmetry of the locus about the real axis. When <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is relatively small, the size of the internal loops approaches that of the main loop, resulting in the maximum possible winding number, equal to <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A summary of possible winding numbers for an epitrochoid complex locus is shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, and examples of winding numbers for various cases of <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are provided in <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Summary of possible winding numbers for an epitrochoid complex locus.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Parity of <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">Other</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Odd</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2,4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Even</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Additionally, it is important to note that the maximum number of Dirac points in the first Brillouin zone, corresponding to the number of band crossings when the bandgap is closed, is <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This corresponds to the difference between the maximum and minimum values of <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This observation aligns with the phonon realization of the Jackiw&#x2013;Rebbi theory (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Jackiw and Rebbi, 1976</xref>) in lattices with non-local interactions, as discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al. (2023)</xref>.</p>
<p>For example, consider the case of <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, five distinct topological states are observed, corresponding to winding numbers of <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2,4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as depicted in the barycentric triangle in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. When the combination of these stiffness parameters varies along the transition boundaries between regions of different winding numbers, the bandgap closes when <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicating topological transitions. Note that the numerical procedures for calculating &#x03BC; follows <xref ref-type="bibr" rid="B26">Pal et al. (2018)</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Barycentric triangles, showing the winding numbers (left) and bandgap width (right) for <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and swept values <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, such that <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for a diatomic lattice with epitrochoid complex locus. Five distinct regions are obtained, each of which corresponds to a specific winding number, <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the boundaries in-between representing the transitional states when the bandgap closes, occuring at <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that the sole bandgap significantly grows in size when approaching the corners of the Barycentric triangles, i.e., <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g005.tif"/>
</fig>
<p>It is worth noting that the bandgap&#x2019;s width increases significantly near the corners of the Barycentric triangle, which correspond to the cases <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>). This behavior arises because the bandgap width is strongly influenced by the degree of space inversion symmetry (SIS) breaking within a unit cell. Near the corners of the Barycentric triangle, SIS is significantly disrupted due to large disparities between the nearest neighbors (near the top two corners) and the beyond-nearest neighbors (near the bottom corner). At the center of the triangle, where the strengths of <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are comparable, the symmetry-breaking effects of nearest and beyond-nearest neighbors compete. This competition leads to intermediate values of the winding number <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and weakens the overall symmetry-breaking effect, resulting in a narrower bandgap. Therefore, the area of each <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the barycentric triangle does not directly correlate with the bandgap width. Instead, the bandgap width is determined by the specific combination of <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which governs the extent of SIS breaking.</p>
<p>To highlight the difference between the topologically distinct regions, five representative combinations of stiffness parameters are selected and listed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. Their corresponding dispersion relations, calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref> in conjunction with <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>, as well as their complex phase loci, are presented in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Selected combinations of stiffness parameters and their corresponding winding numbers for the lattices with epitrochoid and hypotrochoid complex phase loci, shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F10">10</xref>, respectively. Note that <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are satisfied for all cases.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center"/>
<th colspan="3" align="center">Stiffness parameters</th>
<th colspan="2" align="center">Winding number <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">Set no.</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">Epitrochoid</th>
<th align="center">Hypotrochoid</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">1</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">3</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">4</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">5</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.275</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.275</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.45</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Dispersion relations and complex phase loci of five distinct topological states of epitrochoid diatomic lattices obtained by varying stiffness parameters <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the constraint of <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when n &#x3d; 5 Choices of <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to each <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are summarized in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. Note that <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is normalized with respect to <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Hypotrochoid</title>
<p>This section explores complex phase loci in the shape of hypotrochoids. These closed-loop roulettes are generated like the epitrochoids discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>, with the definitions of parameters <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remaining unchanged (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>). However, there are two key differences in terms of the rotation of the epicycle: (1) it rolls without slipping on the <italic>inside</italic> surface of the stationary circle in the counterclockwise direction, and (2) the distance <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> fixed to the epicycle is initially oriented to the <italic>positive</italic> real axis. Like the epitrochoid case, an integer <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined, and a hypotrochoid may exhibit <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> internal loops, depending on its parameters. This integer <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plays a crucial role in the inverse design of a diatomic lattice with a hypotrochoid complex locus, as will be elaborated shortly.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Complex phase locus of a hypotrochoid shape, shown for <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> internal loops. Its geometrical properties are related to the stiffness parameters in the inverse-designed diatomic lattice (<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>). <bold>(B)</bold> Special cases of the hypotrochoid transforming into simpler geometries, each with their respective parameters.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g007.tif"/>
</fig>
<p>Under special conditions, a generic hypotrochoid complex phase locus can transform into more simplified geometries (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7B</xref>). For instance, it becomes a hypocycloid when <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7Bi</xref>) and an ellipse when <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7Bii</xref>). In the special case of an ellipse, the minor and major axes are equal to <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, reinforcing that a zero <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> results in a circle (with a radius of <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7Biii</xref>). Additionally, the ellipse collapses to a line when <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in a looped line, often referred to as the &#x201c;Tusi mechanism&#x201d; (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7Biv</xref>).</p>
<p>Following <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>, a hypotrochoid roulette in the complex plane is defined via the following <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parametric functions:<disp-formula id="e20a">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20b">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As in the case of the epitrochoid, the factor multiplied by the wavenumber in the cosine/sine arguments in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20a">Equations 20a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20b">b</xref> must be an integer. Therefore, <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), which, in combination with <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equations 4</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e20a">20a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20b">b</xref> yields the following complex phase locus:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>After constructing the diatomic lattice corresponding to <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, the following equations of motion for the unit cell are derived:<disp-formula id="e22a">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22b">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22b)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Schematic of a diatomic lattice with coupling beyond next neighbors, resulting in a complex phase locus of hypotrochoid shape.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g008.tif"/>
</fig>
<p>which, after using <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, simplify to:<disp-formula id="e23a">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e23b">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Topological transitions in lattices featuring hypotrochoid loci are achieved by tuning the stiffness parameters <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e23a">Equations 23a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e23b">23b</xref> <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As in the case of epitrochoid loci, <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determines the center position of the complex locus, <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> governs the size of the main loop, and <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> control the size of the internal loops, if present. Mirroring the epitrochoid loci, when the internal loops are significantly smaller than the main loop (<italic>i.e.</italic>, when <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the winding number is either 0 or &#x2b;1, depending on whether <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is smaller or greater than <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As the non-local spring constant <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases, the internal loops may begin to wind around the origin in a clockwise direction, and the winding number assumes <italic>negative</italic> odd or even integers, matching the parity of the integer <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This progression continues until <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at which point the size of the internal loops approaches that of the main loop. Assuming that <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> remains relatively small, the system reaches its maximum possible winding number, <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A summary of possible winding numbers for hypotrochoid complex loci is provided in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>, and examples of winding numbers for various cases of <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are detailed in <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Summary of possible winding numbers for a hypotrochoid complex locus.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<italic>Parity of</italic> <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>Other</italic>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Odd</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Even</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Similar to the epitrochoid complex phase loci, the maximum number of Dirac points in the first Brillouin zone is <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, matching the difference between the maximum and minimum values of <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m357">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as an example, we numerically calculate the winding numbers for all combinations of stiffness parameters within the constraint <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As with the epitrochoid complex phase loci, we identify five distinct winding numbers of <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, separated by boundaries where the bandgap closes (precisely at <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), as shown in the barycentric triangle in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. Like the epitrochoid case, when the combination of stiffness parameters relatively small along the transition boundaries between regions of different winding numbers, the bandgap closes, signaling topological transitions. Furthermore, the bandgap reaches its maximum size when <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approaches <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>). Five representative combinations of stiffness parameters (listed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>) are selected to showcase their corresponding dispersion relations, winding number, and complex phase loci (<xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>).</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Barycentric triangles, showing the winding numbers (left) and bandgap width (right), for <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and swept values <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, such that <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for a diatomic lattice with a hypotrochoid complex locus. Five distinct regions are obtained, each of which corresponds to a specific winding number, <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m370">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with boundaries in-between representing the transitional states when the bandgap closes (<inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>., when <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Note that the sole bandgap significantly grows in size when approaching the corners of the Barycentric triangles, when <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g009.tif"/>
</fig>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Dispersion relations and complex phase loci of the five distinct topological states of hypotrochoid diatomic lattices when <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, obtained by varying stiffness parameters <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf346">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the constraint of <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Choices of <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to each <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are summarized in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. Note that <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is normalized with respect to <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="facou-03-1529474-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s3">
<title>3 Conclusion</title>
<p>Previous studies have demonstrated that topological states in one-dimensional phononic crystals are determined not only by the winding numbers but also by the shapes and trajectories of complex phase loci derived from the off-diagonal elements of the chiral stiffness matrices, which is related to the number of Dirac points in the first Brillouin zone (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al., 2023</xref>). In this study, the characteristics that define the shapes and trajectories of complex phase loci are analyzed. Using these characteristics, we inversely designed intricate networks of diatomic lattices. We focused on three categories of complex phase loci: ellipse, epitrochoid, and hypotrochoid. Our analysis revealed that their shapes and trajectories are influenced by interactions between the diatomic lattice&#x2019;s degrees of freedom beyond the nearest neighbors. The possible winding numbers emerging in each category of complex phase loci have been studied, and parametric studies are compactly represented via barycentric triangles. The implementation of these complex mechanical networks can be achieved by incorporating non-local interactions as shown by <xref ref-type="bibr" rid="B31">Rajabpoor Alisepahi et al. (2023)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B6">Chen et al. (2021)</xref>.</p>
<p>The methodologies presented in this study can be extended to higher-dimensional systems by analyzing the characteristics of complex phase surfaces or Berry curvatures. These rigorous tools for designing phononic crystals with desired topological characteristics can enable the rapid and accurate design of phononic and acoustic devices with ideal topological properties, such as one-way wave propagation and multiple localized states. These features will advance the development of mechanical and acoustic technologies, including mechanical computing, noise reduction, and energy harvesting, where topological states offer robust solutions for these applications.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s4">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material; further inquiries can be directed to the corresponding authors.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s5">
<title>Author contributions</title>
<p>HA: Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Methodology, Project administration, Resources, Software, Supervision, Validation, Visualization, Writing&#x2013;original draft, Writing&#x2013;review and editing. JM: Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Methodology, Project administration, Resources, Software, Supervision, Validation, Writing&#x2013;original draft, Writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s6">
<title>Funding</title>
<p>The authors declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. JM acknowledges the support of the National Aeronautics and Space Administration (NASA Grant 80NSSC23M0071).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s7">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s8">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The authors declare that no generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Enabling novel dispersion and topological characteristics in mechanical lattices via stable negative inertial coupling</article-title>. <source>Proc. R. Soc. A</source> <volume>477</volume>, <fpage>20200820</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2020.0820</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Asb&#xf3;th</surname>
<given-names>J. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oroszl&#xe1;ny</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>P&#xe1;lyi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>A short course on topological insulators</article-title>. <source>Lect. notes Phys.</source> <volume>919</volume>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bahrami</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bahrami</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Three-channel acoustic switch based on topological phononic crystals</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>139</volume>, <fpage>609</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-024-05335-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Caji&#x107;</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karli&#x10d;i&#x107;</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Adhikari</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Inerter-controlled topological interface states in locally resonant lattices with beyond-nearest neighbor coupling</article-title>. <source>J. Appl. Phys.</source> <volume>135</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0205248</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nassar</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A study of topological effects in 1D and 2D mechanical lattices</article-title>. <source>J. Mech. Phys. Solids</source> <volume>117</volume>, <fpage>22</fpage>&#x2013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2018.04.013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kadic</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wegener</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Roton-like acoustical dispersion relations in 3d metamaterials</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>12</volume>, <fpage>3278</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-021-23574-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chiu</surname>
<given-names>C.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Teo</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schnyder</surname>
<given-names>A. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ryu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Classification of topological quantum matter with symmetries</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>88</volume>, <fpage>035005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.88.035005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Christiansen</surname>
<given-names>R. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sigmund</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Topological insulators by topology optimization</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>122</volume>, <fpage>234502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.122.234502</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dal Poggetto</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pugno</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miniaci</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Topological bound modes in phononic lattices with nonlocal interactions</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>281</volume>, <fpage>109503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2024.109503</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Optimal design of fast adiabatic topological pumping in modulated lattices</article-title>. <source>Appl. Phys. Lett.</source> <volume>124</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0198286</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Optimal quantum valley hall insulators by rationally engineering berry curvature and band structure</article-title>. <source>J. Mech. Phys. Solids</source> <volume>135</volume>, <fpage>103784</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2019.103784</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fleury</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khanikaev</surname>
<given-names>A. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alu</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Floquet topological insulators for sound</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>7</volume>, <fpage>11744</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms11744</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grundmann</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Topological states due to third-neighbor coupling in diatomic linear elastic chains</article-title>. <source>Phys. status solidi (b)</source> <volume>257</volume>, <fpage>2000176</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/pssb.202000176</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haldane</surname>
<given-names>F. D. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1988</year>). <article-title>Model for a quantum hall effect without landau levels: condensed-matter realization of the &#x201c;parity anomaly&#x201d;</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>61</volume>, <fpage>2015</fpage>&#x2013;<lpage>2018</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.61.2015</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hasan</surname>
<given-names>M. Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kane</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Colloquium: topological insulators</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>82</volume>, <fpage>3045</fpage>&#x2013;<lpage>3067</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.82.3045</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jackiw</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rebbi</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Solitons with fermion number &#xbd;</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>13</volume>, <fpage>3398</fpage>&#x2013;<lpage>3409</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevd.13.3398</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>K. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Al Ba&#x2019;ba&#x2019;a</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Magnetoactive acoustic topological transistors</article-title>. <source>Adv. Sci.</source> <volume>9</volume>, <fpage>2201204</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/advs.202201204</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.-F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>J.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>C.-Y.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zou</surname>
<given-names>X.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>J.-C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Topological logical elements based on defect-mediated sound-wave manipulation</article-title>. <source>Phys. Rev. Appl.</source> <volume>22</volume>, <fpage>034025</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.22.034025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Acoustic topological metamaterials of large winding number</article-title>. <source>Phys. Rev. Appl.</source> <volume>19</volume>, <fpage>054028</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.19.054028</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>S.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Model for topological phononics and phonon diode</article-title>. <source>Phys. Rev. B</source> <volume>96</volume>, <fpage>064106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.96.064106</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gonella</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Valley hall in-plane edge states as building blocks for elastodynamic logic circuits</article-title>. <source>Phys. Rev. Appl.</source> <volume>12</volume>, <fpage>044015</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevapplied.12.044015</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gonella</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Edge modes and asymmetric wave transport in topological lattices: experimental characterization at finite frequencies</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>121</volume>, <fpage>094301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.121.094301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mousavi</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khanikaev</surname>
<given-names>A. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Topologically protected elastic waves in phononic metamaterials</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>6</volume>, <fpage>8682</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms9682</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nash</surname>
<given-names>L. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kleckner</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Read</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vitelli</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turner</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Irvine</surname>
<given-names>W. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Topological mechanics of gyroscopic metamaterials</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>112</volume>, <fpage>14495</fpage>&#x2013;<lpage>14500</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1507413112</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>R. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schaeffer</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruzzene</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Helical edge states and topological phase transitions in phononic systems using bi-layered lattices</article-title>. <source>J. Appl. Phys.</source> <volume>119</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4942357</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pal</surname>
<given-names>R. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vila</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leamy</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruzzene</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Amplitude-dependent topological edge states in nonlinear phononic lattices</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>97</volume>, <fpage>032209</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.97.032209</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pirie</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sadhuka</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andrei</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoffman</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Topological phononic logic</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>128</volume>, <fpage>015501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.128.015501</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Politano</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Viti</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vitiello</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Optoelectronic devices, plasmonics, and photonics with topological insulators</article-title>. <source>Apl. Mater.</source> <volume>5</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4977782</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qi</surname>
<given-names>X.-L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>S.-C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Topological insulators and superconductors</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>83</volume>, <fpage>1057</fpage>&#x2013;<lpage>1110</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.83.1057</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rajabpoor Alisepahi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>In-gap edge and domain-wall states in largely perturbed phononic su&#x2013;schrieffer&#x2013;heeger lattices</article-title>. <source>Crystals</source> <volume>14</volume>, <fpage>102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/cryst14010102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rajabpoor Alisepahi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarkar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Breakdown of conventional winding number calculation in one-dimensional lattices with interactions beyond nearest neighbors</article-title>. <source>Commun. Phys.</source> <volume>6</volume>, <fpage>334</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s42005-023-01461-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Roman</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sebastian</surname>
<given-names>D. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Observation of phononic helical edge states in a mechanical topological insulator</article-title>. <source>Science</source> <volume>349</volume>, <fpage>47</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.aab0239</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bertoldi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Topological phononic crystals with one-way elastic edge waves</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>115</volume>, <fpage>104302</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.115.104302</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Topological insulators for thermoelectrics</article-title>. <source>npj Quantum Mater.</source> <volume>2</volume>, <fpage>51</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41535-017-0054-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gonella</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Switchable phonon diodes using nonlinear topological maxwell lattices</article-title>. <source>Phys. Rev. B</source> <volume>101</volume>, <fpage>104106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevb.101.104106</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>Appendix A: Mathematical model of typical diatomic lattices</title>
<p>Consider the <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unit cell of the diatomic lattice shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>, which is comprised of identical masses <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and alternating springs <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The unit cell has two degrees of freedom, denoted <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="m392">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the following equations of motion:<disp-formula id="eA_1a">
<mml:math id="m393">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.1a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA_1b">
<mml:math id="m394">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.1b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Next, we define the degrees of freedom vector <inline-formula id="inf360">
<mml:math id="m395">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the Bloch-wave solution:<disp-formula id="eA_2">
<mml:math id="m396">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="m397">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the complex amplitude vector, <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="m398">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the lattice constant (assumed to be one throughout this work), <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="m399">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the imaginary unit, <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="m400">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the wavenumber, <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="m401">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the frequency, and <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="m402">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is time. By plugging in <xref ref-type="disp-formula" rid="eA_2">Equation A.2</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eA_1a">Equation A.1</xref>, the equations of motion can be cast into an eigenvalue problem:<disp-formula id="eA_3">
<mml:math id="m403">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A.3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="m404">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the stiffness matrix and is given by:<disp-formula id="eA_4">
<mml:math id="m405">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.4)</label>
</disp-formula>The constant diagonal elements of <inline-formula id="inf368">
<mml:math id="m406">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="m407">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the superscript <inline-formula id="inf370">
<mml:math id="m408">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the complex conjugate of the off-diagonal component <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="m409">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<italic>i.e.,</italic> the complex phase locus). The dispersion relation can be derived by finding the eigenvalues of <xref ref-type="disp-formula" rid="eA_3">Equation A.3</xref> as:<disp-formula id="eA_5">
<mml:math id="m410">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Interestingly, shifting the eigenvalues of matrix <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="m411">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="m412">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (equivalently shifting <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="m413">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf375">
<mml:math id="m414">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) does not influence the topological properties of the diatomic lattice, given the constant diagonal elements of the matrix. As such, we shall focus on the topological properties of the chiral matrix:<disp-formula id="eA_6">
<mml:math id="m415">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>resulting in the following eigenvalue problem:<disp-formula id="eA_7">
<mml:math id="m416">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A.7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf376">
<mml:math id="m417">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the shifted eigenvalue and <inline-formula id="inf377">
<mml:math id="m418">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the zeroth Pauli matrix (equal to an identity matrix of size <inline-formula id="inf378">
<mml:math id="m419">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</app>
<app id="app2">
<title>Appendix B: Numerical simulations for winding numbers</title>
<p>For various values of <inline-formula id="inf379">
<mml:math id="m420">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the possible winding numbers for both epitrochoid and hypotrochoid complex phase loci are numerically generated under the constraint <inline-formula id="inf380">
<mml:math id="m421">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A summary of these winding numbers is provided in <xref ref-type="table" rid="TA1">Table A1</xref>.</p>
<table-wrap id="TA1" position="float">
<label>TABLE A1</label>
<caption>
<p>Examples of the winding numbers generated for the epitrochoid and hypotrochoid complex phase loci with various <inline-formula id="inf381">
<mml:math id="m422">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<italic>Value of</italic> <inline-formula id="inf382">
<mml:math id="m423">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="left">
<italic>Epitrochoid</italic>
</th>
<th align="left">
<italic>Hypotrochoid</italic>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf383">
<mml:math id="m424">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf384">
<mml:math id="m425">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf385">
<mml:math id="m426">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf386">
<mml:math id="m427">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf387">
<mml:math id="m428">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2,3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf388">
<mml:math id="m429">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf389">
<mml:math id="m430">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf390">
<mml:math id="m431">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,3,4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf391">
<mml:math id="m432">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf392">
<mml:math id="m433">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf393">
<mml:math id="m434">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2,4,5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf394">
<mml:math id="m435">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf395">
<mml:math id="m436">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf396">
<mml:math id="m437">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,3,5,6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf397">
<mml:math id="m438">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</app>
</app-group>
</back>
</article>