我国学者在探索新奇拓扑物态的研究中取得进展
日期 2021-03-01  来源:数理科学部  作者:姜向伟 张诗按 倪培根

       在国家自然科学基金项目(批准号:11774275、11890701、11974120、11974005)等资助下,山西大学陈刚教授、贾锁堂教授和武汉大学刘正猷教授及华南理工大学的合作者在新奇拓扑物态探索方面取得进展。通过堆垛二维笼目(Kagomé)声学晶格并引入双螺旋层间耦合,在国际上首次实验证实了高阶拓扑半金属相,并观察到其特征性的铰链态。该成果以“声子晶体中的高阶拓扑半金属(Higher-order topological semimetal in acoustic crystals)”为题,于2021年2月15日发表在《自然·材料》(Nature Materials)杂志上,文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-021-00933-4。

  不同于一阶拓扑半金属,高阶拓扑半金属具有更丰富的体-边对应,它不仅在样品表面上具有费米弧表面态,而且在不同表面的交线即棱上还有新奇的一维铰链态。这种受体拓扑保护的铰链态在传输时不受缺陷等影响,具有鲁棒性,有望促进电子、信息和半导体等领域的技术革新。然而,由于现有理论模型对实验条件和要求过于复杂和苛刻,高阶拓扑半金属相至今未能在实验上得到证实。

  为了获得高阶半金属拓扑相,山西大学、武汉大学和华南理工大学的合作研究团队首先从模型设计上进行创新:通过堆垛二维笼目三角晶格以形成三维结构,并引入具有三重旋转对称性的双螺旋层间耦合,从而使体能带产生外尔点简并,基于此即可在晶体侧面的棱上产生拓扑非平庸的一维铰链态。这种具有双螺旋层间耦合的笼目晶格堆垛模型巧妙地解除了以往理论模型对实验的苛刻要求。在此基础上,利用3D打印技术制备了相应的声子晶体样品,通过测量棱态的能带色散(图1c)及声压场分布(图1d),证实了这种设计确实是具有铰链态的高阶拓扑半金属。由于体系外尔点属于第一种类型,且拓扑荷反号的外尔点居相同频率,所以该高阶拓扑半金属为I类理想外尔半金属,这为研究高阶拓扑半金属的性质带来了极大方便。

  高阶拓扑半金属相的证实进一步拓展了人们对拓扑物态的认识,具有重要的科学意义。同时,拓扑半金属棱上铰链态的发现为调控声波,乃至光波等经典波的传输提供了新手段,也为设计新型低能耗拓扑电子材料或器件提供了新思路。


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a,堆垛的笼目三角晶格结构示意图。图b,展示双螺旋层间耦合的单胞结构示意图。图c,kz方向上的能带色散,其中红色圆圈和灰色圆圈分别表示数值计算的铰链态色散和体带、表面态色散;颜色条表示实验测量结果。图d,实验测量(左图)和数值模拟(右图)的声压场分布。