撰稿|由课题组供稿
在集成光学和声学里，拓扑绝缘体被广泛用于抗背散射或背反射的光学和声学信号传输。然而，在二维集成平台上实现对不同拓扑相的操控仍具有挑战性。近日，香港中文大学孙贤开课题组首次提出并在纳米机械系统中实现了具有辅助轨道自由度的纳米机械拓扑绝缘体。该方案可以实现集成平台上拓扑相的操控，相关成果于4月19日在线发表于自然子刊《Nature Nanotechnology》。香港中文大学博士生马静文和习翔为论文共同第一作者。
拓扑绝缘体在凝聚态物理、光学及声学领域已激起广泛而浓厚的兴趣。传统的拓扑绝缘体大多关注于对于自旋自由度的操控。轨道自由度作为晶体里的一种基本属性却鲜有在拓扑绝缘体里被研究。将轨道自由度引入拓扑绝缘体可实现传统的拓扑绝缘体里难以实现的新功能或者可用于构建新的拓扑态。
本工作将轨道自由度的概念引入到二维集成拓扑绝缘体的系统中，通过精确调控纳米机械晶体的结构，首次在实验中实现了具有不同轨道自由度的拓扑绝缘体，可以方便地操控拓扑相并实现更多新功能。具体说来，作者们首次在二维集成平台上实现了不同拓扑相的边缘态之间的绝热转化，解决了包含不同拓扑边缘态的大规模集成光子或声子回路里的一个关键问题。利用该轨道自由度，作者们还通过实验实现了纳米机械的零维Dirac涡旋态。进一步，将该轨道自由度的方案和传统的Kekulé方案结合，实现了在三维庞加莱球上任意轨道偏振的拓扑绝缘体，从而获得更高自由度上对拓扑相的操控。
图1a和1b是集成纳米机械晶体的光学显微照片。该晶体的轨道偏振态取决于图1b中标出的几何参数。图1c展示的是由几何参数相关的参数定义的一个二维参数空间，其中不同的θ角对应的拓扑绝缘体具备不同的轨道偏振态。图1d是在Γ点处的拓扑体态的本征频率在该参数空间中的分布。
图2a是不同拓扑边缘态之间绝热转化的概念图。参照图2b中的器件，固定δ0同时将θ沿x方向缓慢变化可实现不同拓扑态间的绝热转化。图2c是测量的弹性波传播的空间分布图。图2d是在图2b中A、B、C点处测量的机械振动强度谱。这些测量结果表明可以通过利用轨道自由度将一种拓扑边缘态绝热地转化到另一种拓扑边缘态。
图3a显示的器件可用于实现纳米机械Dirac涡旋态。图3b和3c分别是仿真和测量所得的Dirac涡旋态的模场图。图3d展示的是在三维庞加莱球上实现不同Dirac涡旋态的概念图。图3e是针对图3d中各种方案下测量所得的Dirac涡旋态的模场图。
图1. 具有附加轨道自由度的拓扑纳米机械晶体。
图2. 利用轨道自由度实现不同拓扑边缘态的绝热转化。
图3. 纳米机械Dirac涡旋态。
该项工作得到香港研究资助局（14208717, 14206318, 14209519, N_CUHK415/15）的支持。
Jingwen Ma, Xiang Xi, Yuan Li, and Xiankai Sun, “Nanomechanical topological insulators with an auxiliary orbital degree of freedom,” Nature Nanotechnology 16 (5): 576–583, May 2021. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00868-6
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00868-6
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