撰稿| 由课题组供稿
近日，山西大学陈刚教授、贾锁堂教授和武汉大学刘正猷教授与华南理工大学的合作者在探索新奇拓扑物态方面取得了进展。通过堆垛二维笼目（Kagomé）声学晶格并引入双螺旋层间耦合，在国际上首次实验证实了高阶拓扑半金属相，并观察到其特征性的铰链态。该研究成果以“Higher-order topological semimetal in acoustic crystals”为题，在线发表于《Nature Materials》。山西大学博士生魏强和硕士生张学伟为论文的共同第一作者，陈刚教授和刘正猷教授为论文的共同通讯作者。论文的合作者还包括华南理工大学邓伟胤副教授、陆久阳副教授、黄学勤教授和严谋博士。
探索新奇的拓扑物态是凝聚态物理和材料科学的热门主题。对于有体能隙的拓扑相，通常的d维拓扑绝缘体具有（d-1）维无能隙边界态。最近，高阶拓扑绝缘体表现出新奇的体-边对应关系，即d维n阶拓扑绝缘体具有（d-n）维无能隙边界态。得益于经典波系统的宏观规模和制造的灵活性，二阶甚至三阶拓扑绝缘体已经在光子晶体、声子晶体和电路系统中实现。对于无体能隙的拓扑相，在三维动量空间中具有节点的体能带拓扑结构，引出了拓扑半金属的概念，例如外尔和狄拉克半金属。与拓扑绝缘体不同的是，三维拓扑半金属通常以二维非闭合表面弧边界态为特征。一个自然的问题是，是否存在具有一维铰链态的三维高阶拓扑半金属？尽管已有相关理论提出了一些模型，然而其条件和要求过于复杂和苛刻，给实验带来了极大的困难，因而这种重要的高阶拓扑半金属相至今未能在实验上得到证实。
在这项工作中，研究人员首先从模型设计上创新：通过堆垛二维笼目三角晶格以形成三维结构，并引入具有三重旋转对称性的双螺旋层间耦合，从而使体能带产生外尔点简并，基于此即可在晶体侧面的棱上产生拓扑非平庸的一维铰链态。这种具有双螺旋层间耦合的笼目晶格堆垛模型非常巧妙地解除了以往理论模型的苛刻要求以及在实验上的困难。在此基础上，利用3D打印技术制备了相应的声子晶体样品，通过测量体态、面态和棱态的色散关系及声压场分布，证实了这种设计确实是具有铰链态的高阶拓扑半金属。由于体系外尔点属于第一种类型，且拓扑荷反号的外尔点居相同频率，所以该高阶拓扑半金属为I类理想外尔半金属，这为研究高阶拓扑半金属的性质带来了极大方便。
高阶拓扑半金属的实现进一步拓展了对拓扑物态的认识，具有重要的科学意义。同时，这种位于拓扑半金属棱上的铰链态的发现为调控声波，乃至光波等经典波的传输提供了新的手段，也为设计新型低能耗拓扑电子材料或器件提供了新思路。
这项工作得到量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)、极端光学省部共建协同创新中心(山西大学)、国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省“1331工程”重点学科建设计划的支持。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41563-021-00933-4
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