刘正猷、邱春印、柯满竹团队在拓扑声学领域连续发表两项成果

新闻网讯（通讯员张一飞）物理科学与技术学院刘正猷、邱春印、柯满竹研究队在拓扑声学领域陆续发表两项研究成果。一篇题为“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”（《二次型Weyl点和双螺旋费米弧的实验观测》）的论文，发表于 (Nature Communications 《自然•通讯》)上，另一篇题目为“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”（《对称性保证的三维狄拉克声子晶体》）的论文，发表于 Light: Science & Applications （《光：科学与应用》）上。

论文“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”第一署名单位为武汉大学，何海龙博士后为第一作者，邱春印教授、刘正猷教授为论文共同通讯作者。这项工作的合作者还包括武汉大学博士生蔡祥曦，武汉大学肖孟教授、柯满竹教授，以及美国UT Dallas大学张帆教授。这两项研究受国家重点研发项目、国家自然科学基金委重大项目等基金资助。

近年来，人们对拓扑半金属进行了大量研究。其中典型的例子是狄拉克半金属和外尔半金属（分别以三维布里渊区中孤立的四重和二重线性简并为特征），它们是高能物理的类比物。最近，超越以上高能类比的“非常规准粒子”在凝聚态物理和材料科学领域引起了极大关注。

基于三维手性声子晶体，这项研究实验报道了二次型外尔点及其相应的双螺旋拓扑表面态。区别于现有的“非常规准粒子”，如三重或四重线性简并的自旋-1外尔点和荷-2狄拉克点，这里的二次型外尔点是二重简并点，在其附近沿两个方向是抛物型、第三个方向是线性（见图1）。除以上反常的体色散特征外，还实验揭示了奇异的双螺旋拓扑表面态，它从二次型外尔点出发，终止于两个常规的线性外尔点，进一步为这种非常规的拓扑节点提供了确凿的实验证据（见图2）。

图1：（a）声子晶体中四个不同外尔点的局部放大图，其中Γ点和A点的二重简并点为二次型外尔点，其它为常规外尔点。（b-d）相应的实验证明。

图2：双螺旋拓扑表面态的实验验证。

论文“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”的唯一署名单位为武汉大学，物理科学与技术学院博士生蔡祥曦为第一作者，叶莉萍博士后、刘正猷教授为共同通讯作者。这项工作的合作者还包括邱春印教授、肖孟教授、余睿教授，以及柯满竹教授。

发现新的拓扑物态已成为基础物理学和材料科学的一个重要目标。作为最具代表性的拓扑物态之一，三维狄拉克半金属（DSM）是探索拓扑相变和其他新颖拓扑量子态的绝佳平台。它可以容纳许多奇特的传输特性，如反常磁阻和超高迁移率。目前，研究者们发现DSM相可偶然出现于正常绝缘体和拓扑绝缘体的转变处。要达到这样的临界点，需要对材料的化学组分进行微调，这一点在实验上很难实现。三维DSM也可以在不微调材料组分的情况下出现，主要分为两大类。第一类是基于能带反转机制，已在Na ₃ Bi和Cd ₃ As ₂ 中实现。在这类体系中，狄拉克点始终成对出现在动量空间的旋转轴上；在维持晶体对称性不变的情况下，可以通过连续调节参数将它们成对湮灭。第二类DSM中的狄拉克点稳定地钉扎在布里渊区的离散高对称点上。显著区别于第一类体系，这类狄拉克点受非点式空间群保证，在维持晶体对称性的情形下无法消除。尽管人们已经提出一些固态候选材料，由于材料合成的巨大挑战，这类对称性保证的狄拉克晶体尚未实验实现。最近，人们利用经典波体系（如声子晶体）实现了许多不同的拓扑物态；这类结构参数可控的宏观体系也为探索全新的拓扑物理提供了机遇。

在这项工作中，研究人员构造并实现了对称性保证的三维狄拉克声子晶体（见图3）。通过声学实验测量角分辨透射谱，实验表征了体系的狄拉克点（见图4）。此外，实验测量的表面声场及其相关的傅里叶谱揭示了无能隙的四螺旋表面态（见图5），这和以往在电子体系中观察到的双费米弧表面态显著不同。以此晶体结构为出发点，可通过降低晶体对称性的方式，设计各种有趣的三维声学拓扑态。值得指出，这里狄拉克点周围的色散呈各向同性。因此，该宏观系统可为研究对相对论物理提供新的机遇，并为声学应用领域提供独特的平台。

图3：声子晶体中对称性保证的狄拉克点以及四螺旋拓扑表面态

图4：实验表征狄拉克点

图5：实验观测四螺旋拓扑表面态

论文链接：

《二次型Weyl点和双螺旋费米弧的实验观测》

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15825-5

《对称性保证的三维狄拉克声子晶体》

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0273-4

（编辑：陈丽霞）