武汉大学PRL连续刊登邱春印课题组拓扑声子晶体研究新进展

新闻网讯(通讯员吴轩)近日,Physical Review Letters(《物理评论快报》,简称PRL)连续发表了物理科学与技术学院邱春印教授课题组关于拓扑声子晶体研究的新进展。这两项工作同时发表在最新一期PRL上,也是该课题组今年上半年发表的第3篇PRL

论文题目分别为“Tracking Valley Topology with Synthetic Weyl Paths”(《通过外尔路径追踪谷拓扑物理》)和“Acoustic Realization of Surface-Obstructed Topological Insulators”(《面阻碍拓扑绝缘体的声学实现》),武汉大学为论文的唯一署名单位,邱春印为唯一通讯作者。以上研究受到国家自然科学基金委重大项目等基金资助。

图1:基于外尔路径理解谷拓扑物理。(a)谷声子晶体示意图;(b)合成三维布里渊区及外尔点分布;(c)二维带结构;(d)沿特定外尔路径测量的表面带结构,显示无带隙的手性表面态。

第一项工作从三维外尔(Weyl)物理的角度揭示谷投影能带的全局拓扑特性(见图1)。最近,人们把谷电子学的概念推广到经典波体系中,实现了谷态的畴壁拓扑输运现象。显著不同于传统的波导态,这种界面态具有极强的抗散射能力,有望用于设计性能卓越的声、光集成器件。然而,由于缺乏严格的体-边界对应关系,畴壁系统的谷拓扑性是非常微妙的。更为糟糕的是,对于刚性边界的单个谷晶体,甚至不能得到任何关于边界态存在性的预测。本项研究基于虚拟维度的概念,为理解谷拓扑物理提供了一个新视角。考虑如图1所示的谷声子晶体,将正三角形散射体的取向自由度当成一个新维度,实现合成空间中的三维外尔点。借助于严格量子化的外尔拓扑荷,建立体边界对应关系,预测单个谷声子晶体的边界可支持沿特定外尔路径的、无带隙的“合成二维表面态”;进一步,将解释推广到更为流行的畴壁体系。相关发现可促进对谷拓扑物理的深刻理解,进而启发新的应用。

图2:三维“面阻碍”高阶拓扑绝缘体的声学实现。(a)实验样品;(b)体、面、棱态的空间分布示意图;(c-e)各空间区域上实验测量的强度谱线,显示“面阻碍”拓扑的完整证据;(f-h)相应数值模拟结果。

第二项工作构建并实现了首个三维“面阻碍”高阶拓扑绝缘体(见图2)。高阶拓扑相是拓扑物理研究的新宠儿。和总是表现为“体阻碍”的传统拓扑绝缘体不同,某些高阶拓扑绝缘体可以在体带隙开放的情形下发生拓扑相变,表现为“高维边界”的阻碍。虽然早期的二维四极子模型现在被认为属于“边界阻碍”拓扑绝缘体,但确定“边界阻碍”这一重要的拓扑物理新概念依然缺乏充分的实验证据。从一个简单的理论模型出发,这项工作设计并制备了“面障碍”拓扑绝缘体,其在相变点表现为表面态关闭。通过和平庸相及临界相样品做比较,实验频谱响应及空间场分布为“边界阻碍”这一新概念提供了完整、确凿的实验证据(图2)。和以往发现的高阶棱态相比,这里观察到的棱态钉扎在体(表面)带隙的中间,因此在实空间更局域;与此同时,由于无色散,这种态可以“冻结”声音沿棱的传播。这些特性有望用于声传感、声能量捕获等。

邱春印长期从事声学拓扑物态方面的研究,取得了一系列研究进展。最近几年,他以通讯作者身份发表1篇Nature2篇Nature Physics9篇Phys.Rev.Lett.,2篇Nature Communications,1篇Science Advance除个别工作外,以上研究均以武汉大学为唯一通讯单位完成。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.216403

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.224301

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