物理系徐勇、段文晖研究组理论预言三维拓扑声子态

 

        清华大学物理系徐勇、段文晖课题组理论预言了一类受晶格对称性保护的三维拓扑声子态,揭示了声子体系中隐含的赝自旋、赝自旋-轨道耦合及其演生的新奇物理效应,并进一步提出潜在的器件应用与可能的材料实现。相关成果以《具有可操控赝自旋物理的三维拓扑声子态》(“Three-Dimensional Topological States of Phonons with Tunable Pseudospin Physics”)为题发表于《科学》合作期刊《研究》[Research 2019, 5173580 (2019)]。

        声子是晶格振动的元激发,是固体中热输运的主要载体。许多基本物性的调控(如导热、导电、超导电性)与重要的实际应用(如集成电路散热、热障涂层、热电转换)都需要有效地操控声子。然而,由于声子体系缺少电荷与自旋自由度,有效的物理操控很难实现。该工作发现具有晶格旋转对称的三维固体材料中存在一种声子赝自旋,该赝自旋可作为一种新型的量子自由度用于操控声子(图1)。值得一提的是,该工作发现声子赝自旋与电子自旋满足类似的物理方程,揭示了两者之间隐含的对偶关系,为发展“赝自旋声子学”奠定了理论基础。基于声子的赝自旋物理,该工作提出了多种三维拓扑声子态,包括具有非平庸拓扑表面态的拓扑声子绝缘体和拓扑声子半金属,揭示了由赝自旋-轨道耦合效应引起的非同寻常的量子输运特性(如声子的全透射、全反射、定向传输)(图2),这些发现对声子或声波的通信线路、三极管、定向天线传输等器件应用至关重要。演生的赝自旋物理为未来声子学研究提供了新的发展机遇。


图 1. 三维体系中的声子赝自旋与拓扑声子态。(a)三维晶体结构与布里渊区。(b)同相位(I)及反相位(O)的声子赝自旋极化模式。(c)同相位与反相位模式的声子色散关系。(d)[001]表面的拓扑声子表面态。(e)体态声子的赝自旋结构,导带为Rashba型,价带为Dresselhause型。


图 2. 声子赝自旋-轨道耦合效应引起的新奇量子输运现象。(a)声子拓扑绝缘体表面态的量子隧穿示意图。(b)声子透射率随入射角度的变化曲线,其中红色点划线、紫色实线与黑色虚线分别代表第一类拓扑表面态、第二类拓扑表面态与非拓扑表面态。(c)声子透射率随势垒宽度的变化曲线。


        另外,徐勇课题组2019年9月11日在《先进功能材料》[Adv. Funct. Mater. 2019, 1904784 (2019)]在线发表了题为《拓扑声子:从理论模型到实际材料》(“Topological Phononics: From Fundamental Models to Real Materials”)的邀请综述论文。该文章介绍了声子的Berry相位、拓扑和赝自旋等基本物理概念,综述了不同空间维度的多种拓扑声子态及其最新研究进展,包括一维声子Su-Schrieffer-Heeger(SSH)态、二维类量子反常霍尔态、类量子谷霍尔态和类量子自旋霍尔态,以及三维声子拓扑绝缘体、拓扑半金属(如拓扑外尔、拓扑节线等半金属态)。文章既介绍了这些拓扑声子态的基本物理模型,同时综述了它们在各类实际材料体系中的实验实现,介绍了拓扑声子态的潜在应用,并对未来拓扑声子学的发展作出展望。

        清华大学物理系徐勇副教授和段文晖教授为第一个工作的通讯作者,课题组博士生刘易周为第一作者。清华大学物理系的徐勇副教授、课题组博士生刘易周(现为以色列威兹曼科学研究所博士后)和哈尔滨工业大学深圳研究生院的陈晓彬教授为第二个工作的通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金(基础科学研究中心)、中国科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室等项目单位的支持。

        文献链接1:https://spj.sciencemag.org/research/2019/5173580/

        文献链接2: https://doi.org/10.1002/adfm.201904784