撰稿|由课题组供稿
发现新物态，调控相变等是近年来的热点研究领域之一。高阶拓扑绝缘体是一类特殊的拓扑绝缘体，对于d维高阶绝缘体，其d-1维边界依然可导，且在d-2维的棱边或d-3维的棱角上具有受拓扑保护的态。由于声子晶体的能带结构易于调控，被视作研究拓扑绝缘体的理想体系。
利用人工声子晶体的这一特点，近日，来自武汉理工大学、苏州大学、斯文本科技大学等单位的研究人员构建了一种特殊的声学高阶拓扑绝缘体，首次发现了表面能带中出现的偶然简并狄拉克点，并通过实验研究了拓扑表面波的双零折射率效应，同时提出了实现d-2维边界态的新理论。
研究人员首先基于智能结构优化设计的结果提出了两种声子晶体结构，由这两种声子晶体结构形成的超胞表面上出现了三条边界态，其在高对称点处有两个双极模态与一个单极模态，如图1所示。
图1 非寻常（SC1）寻常（SC2）两种声子晶体及相应的拓扑表面态
当通过调节声子晶体的几何尺寸，使三条表面态偶然简并时，表面态的Dirac mass变为0，同时色散曲线变为锥形。利用能带折叠的方法，我们可以将第一布里渊区角点处的简并点调节至布里渊区中心。由等效介质理论计算可知，对于简并点处（14.0kHz）的声波，其等效密度与等效压缩模量均为0。因此，在这一高阶拓扑绝缘体界面上传播的拓扑表面波呈现出双零折射率现象。由于简并点频率恰好位于声子晶体的体带隙中，这一现象可以直接探测到。如图2中的实验所示，14.0kHz的声波从高阶拓扑绝缘体一侧的点声源传入，当其在另一侧传出时，边界处声波的强度与相位完全相同。
图2 拓扑表面波的双零折射率现象
当表面态的Dirac mass不为零时，通过调节声子晶体的几何参数，可以交换单极模态与双极模态的频率位置，设计出分别具有正的与负的Dirac mass的表面态，即图3中的超胞S2与S3。在这两种超胞表面的界面上，则会出现1维棱态。这一棱态的存在同样可通过实验证实，图3中声场扫描的结果清晰地证明了棱态的存在。以往高阶拓扑绝缘体的实现需要借助于其体能带的拓扑性质，而这一棱态则是由于表面态能带的拓扑性质改变而产生的，并受到表面能带拓扑性质的保护，这就为我们开辟了新的实现低维拓扑态的途径。
图3 由于表面态拓扑性质不同而产生的1维棱态
这一发现揭示了高阶拓扑绝缘体中新奇的狄拉克点现象，为实现新型声学超材料与元器件提供了途径。该项工作于2022年6月26日以“Observation of Emergent Dirac Physics at the Surfaces of Acoustic Higher-Order Topological Insulators”为题在线发表于《Advanced Science》,武汉理工大学孟飞，苏州大学林志康为本文共同第一作者；苏州大学蒋建华教授，皇家墨尔本理工大学贾宝华教授，斯文本科技大学黄晓东教授为本文共同通讯作者。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201568
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