《物理评论快报》刊登陈树琪教授课题组最新成果—实验观测声子晶体的第二类外尔点与费米弧- 大数跨境

两江科技评论

2019-03-18

导读：近日，南开大学陈树琪教授课题组在《物理评论快报》发表了最新研究成果，研究人员通过堆叠手性声子晶体，首次在实验上证实了声学系统中第二类外尔点的存在，两种第二类外尔点的特征被实验证实。谢博阳博士为第一作者

导读

近日，南开大学陈树琪教授课题组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了题为“Experimental Realization of Type-II Weyl Points and Fermi Arcs in Phononic Crystal”的研究论文，实验观测声子晶体的第二类外尔点与费米弧，谢博阳博士为第一作者。该工作受国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市杰出青年基金等项目资助。

创新研究

外尔点是三维动量空间能带结构的双重简并点，它携带有量子化的拓扑荷。按照能带的倾斜程度和能带连接处费米面的形状，外尔点分为第一类和第二类，其中第二类外尔点能带色散沿一个方向强烈倾斜，并在能带连接处具有锥型的费米面。研究人员通过堆叠手性声子晶体，首次在实验上证实了声学系统中第二类外尔点的存在。两种第二类外尔点的特征被实验证实，分别为：外尔点频率附近费米面的拓扑转变，即利夫希茨转变；连接包含不同荷外尔点的体能带的费米弧。这一实验工作为三维拓扑物理提供了新的实验结果，并且有望进一步拓展到光学和冷原子等其它系统中。

图文速览

图一：第二类外尔声子晶体结构设计与外尔点位置示意

第二类外尔声子晶体由反演对称性破缺的层状周期性结构堆叠而成，结构由3D打印技术制作，图1(a)为样品的照片，图1(b)为样品放大照片。每个六角型元胞均由一块穿孔平板和位于中心位置的圆柱组成，如图1(c)所示。两组不同荷的外尔点位于布里渊区的高对称线KH ()(或用()点表示）上，如图1(d)所示。由于相邻波导层间加了手性耦合， y-z平面镜面对称性被破坏，或上的外尔点位于不同的平面上。

图二体能带结构的实验测量

为了确定外尔点的存在，作者采用空间傅里叶变换的方法得到了外尔声子晶体的体能带色散，结果如图2所示。对于不同的切面，退化二维能带会经历能带闭合和再打开的过程。在平面，两条最低能带间具有带隙，见图2(a)，此时，没有引起等效的规范场，二维布里渊区的陈数为零。随着的增大，在处，两条能带在点简并且周围色散为线性，见图2(b)。二维能带随后打开然后再闭合于点且的位置上，见图2(d)。对于更大的来说，二维能带会再次打开。作为对比，位于，和的二维能带具有带隙，如图2(a)，图2(c)和图2(e)所示。能带的闭合与再打开表明了在的切面，二维能带的陈数为+1或-1。从布里渊区的KH方向可以看到，如图2(f)所示，外尔点周围的能带具有线性锥状色散并且在方向上强烈倾斜。随着频率的移动，费米面会发生拓扑转变，即利夫希茨转变。两个能带首先在外尔点1（WP1）的位置相交，见图2(g)。当频率增加时，两个能带分离，然而费米面的拓扑发生了改变，WP1被其中一个能带包围，见图2(h)。能带在频率更高的外尔点2（WP2）处再次接触，再一次改变了费米面的拓扑，见图2(i)。

图三表面态费米孤的实验测量

当频率位于两个外尔点之间时，费米孤出现在XZ和YZ面上。图3(a)和3(b)为在XZ1和YZ1面上激发的费米弧场分布。对XZ1和YZ1面的场分布分别进行傅里叶变换后，如图3(c)和3(d)中间所示，费米弧从包含WP1的体能带投影中出发，跨越带隙连接了包含WP2的体能带投影。如图3(c)和3(d)左侧和右侧为WP1频率和WP2频率下的测量结果，费米弧从对应外尔点出现，随后消失在包含另一个外尔点的体能带投影中。图3(e)和3(f)为XZ1和YZ1面上处表面波能带色散测量结果，一个非平庸的能带出现在二维布里渊区的带隙之间。所有实验结果和数值计算结果高度吻合。