科研进展

PRL连续刊登邱春印课题组拓扑声子晶体研究新进展

来源:  发布时间:2022-06-07 15:17:34 点击次数:

最近,Physical Review Letters(《物理评论快报》,简称PRL)连续发表了物理学院邱春印教授课题组拓扑声子晶体研究的新进展。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,邱春印教授为唯一通讯作者。这两项工作同时发表在最新的一期PRL上,也是该课题组今年上半年的第3PRL。以上研究受到国家自然科学基金委重大目、万人计划“青年拔尖人才”项目等基金资助。

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,甚至不能得到任何边界态存在性的预测。基于虚拟维度的概念,这项工作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。

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;于此同时,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。

邱春印教授长期进行声学拓扑物态方面的研究,取得了一系列的研究进展。最近几年,他以通讯作者身份发表Nature 1篇,Nature Physics 2篇,Phys.Rev.Lett. 9篇,Nature Communications 2篇,以及Science Advance 1篇;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。

全文链接:

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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