撰文：邓伟胤，黄学勤
导读
近日，刘正猷教授课题组实现了由赝自旋-轨道耦合诱导的二维拓扑声子晶体，即声自旋陈绝缘体，其拓扑性质可由自旋陈数表征。理论计算和实验观测到该系统具有无能隙的螺旋性边缘态，并验证了其鲁棒性。此外，在H型样品中观察到自旋翻转传输，体现了边缘态的自旋不守恒。该研究成果以“Acoustic spin-Chern insulator induced by synthetic spin-orbit coupling with spin conservation breaking”为题在线发表在《Nature Communications》。华南理工大学邓伟胤副教授和黄学勤教授为论文的共同第一作者，李锋教授和武汉大学刘正猷教授为论文的共同通讯作者。论文的合作者包括陆久阳副教授，ETH的Sebastian D. Huber教授及其博士生Valerio Peri。
发现具有体能隙和无能隙边缘态的拓扑绝缘体为凝聚态物理开辟了新的方向。广义而言，二维拓扑绝缘体可以分为两类，一类是破坏时间反演对称性的，例如量子（反常）霍尔绝缘体，其边缘态是手性的；另一类是保持时间反演对称性的，例如量子自旋霍尔绝缘体，具有螺旋性边缘态。实现量子自旋霍尔绝缘体的关键是系统存在较强的自旋-轨道耦合，使得体能带的波函数具有非平庸的拓扑性质。由自旋-轨道耦合诱导的拓扑相可以推广到三维，也就是三维拓扑绝缘体。量子自旋霍尔绝缘体的拓扑性质可由Z2指标或自旋陈数描述。在自旋守恒的情况下，Z2指标和自旋陈数是等价的。实际上，自旋陈数的定义不依赖于自旋守恒和任何的对称性，并已用于描述时间反演对称性破缺的拓扑绝缘体和赝自旋拓扑绝缘体，从而产生了自旋陈绝缘体的概念。自旋陈绝缘体具有螺旋性边缘态，但是否为无能隙，取决于系统的对称性和样品边界的微观结构。
具有螺旋性边缘态的声学系统已引起广泛关注。尽管这些系统都具有赝自旋，但由于缺乏赝自旋-轨道耦合，其螺旋性边缘态存在于畴壁或界面上，而不是存在于边界或表面上。此外，这些系统都是赝自旋守恒的，这意味着它们实际上可以分成两个独立的体系，用陈数或谷陈数描述。当赝自旋守恒被破坏时，这些描述不再有效。一个自然的问题是：在没有赝自旋守恒的情况下，我们能否实现由赝自旋-轨道耦合诱导的声学拓扑绝缘体，即一般情况下的声学自旋陈绝缘体。
以往对声学拓扑绝缘体的研究，侧重于将拓扑模式限制在不同声子晶体相之间畴壁处的界面态。尽管这些研究本身很有趣，但是它们具有一个重要的技术缺点：通常不可能在单声子晶体相的边缘上产生这样的模态。该研究工作实现了由赝自旋-轨道耦合诱导的声学拓扑绝缘体，观测到了沿单声子晶体相的边缘传播的螺旋性边缘态，并在H型样品中观察到边缘态的自旋翻转效应。
该项工作得到国家重大科学研究计划（2018YFA0305800）、国家自然科学基金、广东省珠江人才计划项目、广东省杰出青年基金、中央高校基本科研基金项目的支持。
图1：双层Lieb晶格中的自旋陈绝缘体和螺旋性边缘态。a 晶格结构示意图。b 沿高对称线的体带结构。c 自旋陈数刻画的拓扑相图。d 第一带隙的边缘态色散。
图2：声学自旋陈绝缘体。a 样品的照片。b 左图：样品的放大侧视图；右图：样品的元胞，对应于左图中的绿色虚线框。c 最低四条能带的体态色散。d 赝自旋极化的Berry曲率分布。
图3：声螺旋性边缘态。a和b 分别表示两个不同边界的边缘态色散。c和d 分别表示它们的自旋极化。一对具有相反自旋极化的无带隙边缘态沿边界反向传播。
图4：实验证明声边缘态的鲁棒性。a 矩形缺陷的样品的仿真和实验场分布。b 缺陷路径和具有相同长度的直线路径的透射对比。
图5：螺旋性边缘态的自旋翻转效应。H形样品，在端口1处激发自旋向下边缘态，传播到端口2和3（相同极化），由于自旋翻转也能传播到端口4（相反极化）。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17039-1
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