物理系在拓扑声子学领域取得进展

 

     《国家科学评论》(National Science Review,NSR) 最近发表了由清华大学物理系徐勇助理教授、段文晖教授课题组共同撰写的观点文章:Berry Phase and Topological Effects of Phonons (https://doi.org/10.1093/nsr/nwx086),从基础理论到潜在应用,概括了声子的Berry相和拓扑效应的最新研究进展。

     声子是晶格振动的元激发,是固体中热输运的主要载体。许多重要的实际应用与器件(如集成电路的散热、热障涂层、热电效应、热二极管、热三极管等)都需要有效地控制声子输运,与之相关的研究构成了现代物理学的一大分支——声子学。另一方面,新型拓扑量子物态的发现,如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属等,从根本上改变了人们对电子态的认识,并对电子学、自旋电子学、拓扑量子计算等领域产生了革命性的影响。最新的研究工作将拓扑的物理概念引入声子学,利用Berry相位、拓扑等新奇的量子自由度,实现全新的声子操控,因此诞生了一个新兴的研究领域——拓扑声子学。

 

 

二维蜂窝状晶格中声子的Berry曲率和拓扑量子态

 

     《国家科学评论》最近发表了清华大学物理系徐勇助理教授、段文晖教授课题组共同撰写的题为“Berry Phase and Topological Effects of Phonons”的观点文章(National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx086)。

     这篇文章从基础理论到潜在应用,概括了声子的Berry相和拓扑效应的最新研究进展。通过引入声子的类薛定谔方程,许多拓扑的物理概念能从电子直接推广到声子。然而,声子体系与电子体系有着本质的区别:声子满足玻色-爱因斯坦统计分布,不同频率的拓扑能隙因此都能被物理观测。

     该文章还讨论了对称性与声子拓扑的相互作用。以二维蜂窝状晶格为例,时间反演对称破缺会产生具有非零拓扑陈数的声子态,即声子的类量子霍尔态,具有单向导通的不受散射的声子边界模式;空间反演对称破缺会产生具有非零Berry相的谷,可用作调控声子输运的新型量子自由度,即谷声子学;两种对称性破缺机制相互竞争,能导致拓扑相变并演生出丰富的声子拓扑量子态。

      除此之外,该文章还展望了拓扑声子学在未来声子器件方面的潜在应用,包括低耗散的声子输运通道、高效率的声子二极管和谷声子学器件等。拓扑声子学给未来声子学基础研究和器件应用带来了概念性的创新,有望产生重要突破。

 

文章信息:

Yizhou Liu, Yong Xu and Wenhui Duan

Berry Phase and Topological Effects of Phonons

Natl Sci Rev (2017). DOI: 10.1093/nsr/nwx086

https://doi.org/10.1093/nsr/nwx086