撰稿|由课题组供稿
在自然界中，水晶经常形成孪晶——即两个相邻的晶体具有不同的晶体学取向而共享一个晶格平面。由于水晶拥有手性空间群，孪晶可以在具有相同或相反手性的晶体之间发生。近期，剑桥大学的一个团队使用第一性原理方法，研究了孪晶和手性对水晶声子振动模式的影响，特别是外尔声子和表面声子弧的拓扑性质。研究发现，在不同手性的晶体中，尽管布里渊区高对称线上的声子具有相同的色散，对某些孪晶结构，声子色散在高对称线之外是不同的。此外，当孪晶形成于不同手性的晶体之间时，外尔点的陈数会翻转，导致特定表面上出现镜面对称的声子弧，使孪晶界面上的负折射成为可能。相关工作以封面文章的形式发表在ACS Materials Letters上。
负折射是一种反直觉的物理现象，即入射和折射光线在界面法线的同一侧出现，在光学隐身等领域具有广阔应用前景。拓扑材料为实现负折射提供了新平台：在具有左右手对称性的晶体界面上，拓扑表面态在特定方向上可以产生互为镜像的表面弧，从而让光线在拓扑弧之间传播，实现负折射。
在这项工作中，作者们提出自然生成的水晶能在THz波段实现负折射。手性相同或相反的水晶晶体共享晶格平面，形成接触孪晶，导致界面上形成特殊的拓扑弧。通过第一性原理计算和群论分析，研究孪晶和手性对水晶外尔声子和表面拓扑弧的影响。当晶体之间形成不同孪晶时，会产生各种不同的表面拓扑弧。这一现象使特定孪晶界面上的负折射成为可能。
(a) 水晶的晶体结构，分别具有P3121和P3221两种手性空间群，图中的结构是具有镜面对称的Leydolt孪晶。(b) 水晶的声子谱。
(a) 高对称线上和线外连接外尔点的声子谱。(b) 外尔点在布里渊区的位置。两种手性的晶体具有镜面对称性，属于Leydolt 孪晶。
(a) 不同手性晶体在(010)表面的声子局域态密度。(b) 22.1 THz的表面声子弧。
(a) Dauphiné孪晶（由C2z旋转形成）在(101)表面22.3 THz时的声子弧和负折射。(b) Brazil孪晶（由空间反演形成）在(101)表面22.3 THz时的声子弧和负折射。(c) Leydolt孪晶（由mz镜面对称形成）在(010)表面22.1 THz的声子弧和负折射。
相关论文在2024年3月4日发表在ACS Materials Letters上，论文的共同第一作者是剑桥大学的Gunnar F. Lange和Juan D. F. Pottecher，通讯作者是剑桥大学的Bartomeu Monserrat教授和彭博博士。
Gunnar F. Lange, Juan D. F. Pottecher, Cameron Robey, Bartomeu Monserrat# and Bo Peng#. Negative refraction of Weyl phonons at twin quartz interfaces. ACS Materials Letters 6 (3) 847 (2024).
doi：10.1021/acsmaterialslett.3c00846
链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.3c00846
