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[材料资讯] 卢明辉、陈延峰课题组:具有多维层级拓扑相的新型三维高阶声拓扑绝缘体

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发表于 2019-11-30 07:00:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
现代工程与应用科学学院卢明辉陈延峰的研究团队,与苏州大学蒋建华的研究团队合作,在拓扑物理和材料研究方面取得重要进展。他们发现二维拓扑界面态、一维拓扑棱态以及零维拓扑角态可以存在于同一个声学结构中,并基于精确设计和3D打印技术实现了这种支持多维层级拓扑态的三维高阶声拓扑绝缘体。文章以“Dimensional hierarchy of higher-order topology in three-dimensional sonic crystals”为题发表于近期的Nature Communications。
       在凝聚态物理及其应用中,不论对于电子系统,还是光波和声波系统,能够按需设计对粒子及元激发的传输进行调控,一直是人们追求的目标,而这一领域的快速飞跃也直接推动了现代微电子、光电子和声电子产业的诞生和蓬勃发展。近年来,随着信息处理和存储技术的进一步发展,对高性能的集成光、声器件的需求日益增长。然而在传统集成器件中,特别是对于亚波长器件,由于加工误差存在着不可避免的缺陷和杂质,使得波在传输过程中产生大量的散射和损耗,从而极大地制约了相关技术的应用与发展。拓扑材料以其特有的缺陷免疫和无损耗的传输特性,为克服这一困难提供了解决方案。

二维界面态

二维界面态
       此前,人们普遍认为拓扑材料都遵循严格的体-边对应关系:即拓扑表面态只出现在比材料本身低一个维度的边界上。因此,如果要同时实现二维表面态、一维边界态和零维局域态,则需要设计多种不同几何结构的拓扑材料,这大大增加了波调控和器件设计的复杂性,进而限制了器件的集成化和微型化。如何能够在同一个材料中实现拓扑保护的二维界面、一维波导以及零维腔?这个问题的解决不仅在拓扑物理上有重要的理论意义,而且对拓扑材料和器件的应用有重要的价值。针对这一问题,该文设计和实现一类三维高阶拓扑材料,它同时存在具有拓扑鲁棒性的二维界面态、一维棱态以及零维角态。这一现象的理论基础是一种新的高阶多维度的体-边对应关系:即层级体-界面-棱-角对应关系。文章发现,系统中不同维度的拓扑态可以在频域上分离,这意味着人们可以在不同的频率上,对不同维度的声/光波进行独立调控。这一成果是高阶拓扑态研究的一项重要进展,具有重要的理论价值和应用前景。
       该文构造了一类具有简立方晶格的声子晶体,其结构含八个空气腔,经由空气管道连接构成。通过调节腔与腔之间的间距(即调整它们之间的声波耦合强度),可构造出类似于SSH模型中胞内耦合与胞间耦合强弱失衡,进而调控系统的拓扑性质。在未变形的情况下(即胞内耦合与胞间耦合相同),系统的能带在布里渊区的多个高对称点(X,M和R点)处形成双重简并。通过调节腔体间距,简并打开,其过程中胞内耦合与胞间耦合由强弱失衡(此时的声子晶体称为收缩晶格)到弱强失衡(此时的声子晶体称为扩张晶格)并伴随着高对称点上本征模式的宇称反转,系统实现拓扑相变。相变点对应未变形的结构。
      计算收缩晶格和扩张晶格的体极化参数,发现前者对应平庸的体极化参数P=(0,0,0),而后者对应非平庸的量子化体极化参数P=(0.5,0.5,0.5),由此证明收缩晶格为拓扑平庸晶格而扩张晶格为拓扑非平庸晶格。基于极化理论和瓦尼尔中心(即WannierCenter,WC)的量子化,具有非平庸体极化参数P=(0.5,0.5,0.5)的晶格中WC位于原胞顶点处,这意味着系统可表现出有趣的高阶拓扑行为:当x方向上打开边界而y和z方向无边界时,由于极化效应(即Px=0.5),沿着x方向将出现等效电荷累积,对应于此声子晶体中即是二维拓扑界面态的产生;类似的,当x和y方向上都打开边界而z方向无边界时,则会产生沿着面传播的拓扑态和沿着棱传播的拓扑态(即一维棱态);而当三个方向上的边界全部打开,则晶体同时支持二维面态、一维棱态以及零维角态。文中将这一有趣的、同时支持多维层级拓扑相的材料称为三维高阶拓扑绝缘体(即HOTI)。
       为了验证高阶拓扑绝缘体中的多维层级拓扑态,该文利用3D打印制备了一系列样品并在实验上测量了二维面态、一维棱态以及零维角态;将拓扑平庸和非平庸的晶格放在一起,可以构造不同方向上的界面。可以看出,界面态位于体带隙中,虽然其与体态有一定的频率交叠,但是实验测量透射谱显示前者的响应占主导地位,说明界面态可以被单独激发。对激发的界面态进行实验扫场测量,发现确实如预期所想,这类模式主要局域于拓扑平庸和非平庸晶格的界面上,远离界面声场快速衰减。这一特征与界面态相符合,再次证明拓扑界面态确实存在且能被激发。
       该文探索了基于高阶拓扑物理实现二维界面、一维波导以及零维腔体在同一系统中的拓扑集成,这为新型高性能通讯和信息处理器件的设计提供了新思路,并且为多维度上调控声波传播提供了新方法。本文所验证的物理机制可推广到其他经典波体系,例如光学系统中,可应用于光的能量收集和信息处理等。
       南京大学的张秀娟、解碧野、王洪飞为该论文的共同第一作者;南京大学陈延峰、卢明辉及苏州大学蒋建华共同指导了这一工作。南京大学的许相园以及田源共同参与了该课题的研究。研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的支持。
        
       拓扑绝缘体是一种内部绝缘,界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部,电子能带结构和常规的绝缘体相似,其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态,这些量子态位于块体能带结构的带隙之中,从而允许导电。这些量子态可以用类似拓扑学中的亏格的整数表征,是拓扑序的一个特例。


        陈延峰南京大学教授,国家杰出青年基金获得者,教育部长江特聘教授。现为南京大学国体微结构物理国家重点实验室主任,国家973计划项目首席科学家,教育部长江学者和创新团队计划负责人。研究领域为材料物理与化学。研究方向是人工结构带隙材料、薄膜多层膜声学超晶格和铁电/介电薄膜的设计、制备、表征和光电性能的研究。所取得的成果中,“在声子晶体中实现声波的双负折射”被评为“2007年度中国基础研究十大新闻”、“离子型声子晶体”被评为 “1999年度中国基础研究十大新闻”。获得2006年度教育部自然科学奖一等奖(第四获奖人),获得2013年度教育部自然科学奖一等奖(第一获奖人),获得2015年度国家自然科学奖二等奖(第一获奖人)。获得2012-2013年度中国物理学会叶企孙奖。在包括Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Science等在内的国际核心期刊(SCI)上发表论文150篇。获中国发明专利11 项,获得美国专利2项。所指导的博士论文获得“全国百篇优秀博士论文”1篇和提名1篇。
       卢明辉,男,1979年10月生,南京大学现代工程与应用科学学院材料科学与工程系教授,博士生导师,南京大学登峰人才B计划入选者,曾在斯坦福大学先进材料与能源研究所进行访学和合作研究。2010年获得全国百篇优秀博士论文奖励,同年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2013年入选“国家特支计划中组部首批青年拔尖人才计划”。2014年获批“江苏省杰出青年基金”项目,并入选南京市“321创新人才计划”;现为中国声学学会物理声学委员。

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