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Appl. Phys. Lett.: 一维声子晶体中旋转外尔物理的探测

Appl. Phys. Lett.: 一维声子晶体中旋转外尔物理的探测 两江科技评论
2024-04-21
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导读:近日,昆明学院杨海教授团队对合成空间中的外尔点进行了研究,实现了在合成参数空间里对外尔声子晶体的任意旋转,并探测了由两个相互旋转的外尔声子晶体构成的界面上出现的拓扑界面态。


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撰稿|由课题组供稿

导读


近日,昆明学院杨海教授团队对合成空间中的外尔点进行了研究,实现了在合成参数空间里对外尔声子晶体的任意旋转,并探测了由两个相互旋转的外尔声子晶体构成的界面上出现的拓扑界面态。相关工作以“Probing rotated Weyl points on one-dimensional sonic crystals为题,于2024年4月15 日在线发表在Applied Physics Letters。昆明学院硕士研究生张旭为论文的第一作者,杨海教授为通讯作者。

研究背景

外尔半金属在拓扑物质领域得到了许多关注,它最初在电子体系得到广泛研究, 后来其被拓展到了经典波作用的人工结构中。由于外尔半金属具强鲁棒性,受拓扑保护的边界态或界面态有着潜在的器件应用。在线性合成空间的基础上,构建旋转空间,这样一维的体系可以在旋转空间中探索的其物理问题。课题组提出了一种灵活的旋转变换的方法,并对两个关联旋转的外尔结构构成的界面上出现的拓扑界面态进行了研究。

研究亮点


1(a)是一维层状声子晶体的示意图,由水和玻璃交替构成。通过引入两个额外的几何参数对层厚度进行调节,是用来控制层厚度的两个几何参数,它们的取值范围为,它们与布洛赫波矢k一起构成了一个三维合成线性空间。图1(b)展示了以及时声子晶体的色散关系。图1c展示了第三条能带与第四条能带在处的其中一个外尔点,在参数空间中的位置为。在图1(d)中我们提供了两种不同类型的旋转变换用以构造两个不同手性的声子晶体,因为两个外尔点具有相反的手性,所以这两种外尔结构拼接后的系统在界面上必然会存在拓扑界面态。

图1 一维层状声子晶体中的合成外尔点。(a)一维层状声子晶体的单胞。(b)三种不同几何参数的声子晶体的色散关系。(c)参数空间中W34附近的色散关系。(d)两种不同类型的旋转变换和两种具有相反手性的外尔点的反射相位。

如图2(a)所示,我们将三维线性合成空间中的外尔点通过旋转变换将其映射到旋转的参数空间中,它们与布洛赫波矢k可以构成一个新的旋转合成空间。通过调节参数,改变两个外尔声子晶体的相对旋转方向。如果两个晶体的外尔点沿相反的方向旋转,这两个晶体组成的界面上就可以产生两种无带隙的拓扑界面态,如图2(b)所示;反之,两个晶体的外尔点沿相同的方向旋转,界面上拓扑界面态不会存在,如图2(c)所示。通过选取图2(b)AB位置的声子晶体,如图2(d)所示界面上的拓扑态的绝对声压和场能量分布,可以观察到声压可以很好的局域在界面附近。

图2 两种不同类型外尔点的声子晶体组成的界面上的拓扑界面态。(a)两种不同类型声子晶体的带结构。在参数空间中,构造两个围绕外尔点的大小相同的不同旋转方向的环。(b)-(c)为变量的两种超胞的色散关系。图(b)中两种类型声子晶体的旋转角关系为:,图(c)中两种类型声子晶体的旋转角关系为:。(d)两种超胞界面态的场能量分布。上图:图(b)中A、B位置对应的超胞界面态绝对声压场分布。下图:沿着x方向归一化后的场能量分布。

此外,课题组通过实验证明了拓扑界面态的存在。图3(a)上半部分是测试示意图,下半部分为样品图。在界面的左右两侧分别放置超声探头,左侧探头用于发射信号,右侧探头用于接收信号。通过超声透射实验得到两种情况下声子晶体的透射谱。可以观察到在带隙内均会出现一个明显的峰值,且实验测量得到的界面态频率与计算得到的界面态频率非常吻合。对于拓扑界面来说,它们的传播具有鲁棒性,不受小缺陷的影响。课题组在界面附近设计了一个缺陷,将界面左侧第一个单胞的参数进行调整,参数分别变为,并测量了它的透射谱,并与没有缺陷时的透射谱进行比较。如图3(d)-(e)所示,发现二者的强度比较吻合。这是由于界面态受拓扑保护,能够抵抗微小的扰动。

图3界面态的测试及其鲁棒性验证。 (a)上图:界面态实验测量示意图,其中G和D分别表示用于产生和接受声音信号的超声探头。下图:声子晶体样品图。(b)-(c)数值模拟(实线)和实验探测(点线)的能量分布情况。(d)-(e)合成空间中超胞界面态鲁棒性验证。上图为引入缺陷后两种不同超胞的结构示意图。

总结与展望


在一维声子晶体中,利用线性合成维度,课题组提出旋转空间维度来探索拓扑界面态。通过构建具有顺时针和逆时针手性的外尔结构,将它们进行拼接从而形成了界面。然后通过调节它们的拓扑关系,来实现拓扑界面态。并通过实验,在界面附近测量到了拓扑界面态,并验证了两种不同类型的拓扑界面态的鲁棒性。研究结果为研究拓扑声晶体提供了一条新的途径。有望将旋转参数空间的概念扩展到真实的二维和三维外尔系统中,在此基础上探索更高维度的外尔物理问题。

论文链接:

https://doi.org/10.1063/5.0200742

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