姚裕贵教授团队李锋教授与苏州大学蒋建华教授在声子晶体高阶外尔半金属方面取得重要进展

2021年05月15日

Weyl半金属（WSMs）表现出诸如费米弧表面态、伪规范场和量子异常等现象，这些现象是由电子的晶体固体以及光子和声子超材料中的拓扑带简并引起的。对称性在拓扑材料的物理中起着至关重要的作用，基于对称性的指标和拓扑量子化学已被证明是诊断和预测拓扑绝缘体和半金属的强大理论工具。最近的研究发现了三维（3D）天然和人造晶体中对称增强的声子WSM和nodal-line半金属。特别是，这种具有显著可控性的人造声子晶体为受晶体对称性保护的各种拓扑相提供了极好的平台。例如最近发现的声子晶体中的高阶拓扑绝缘子（包括2D和3D系统）。但是，最近提出的两种基本拓扑材料（WSM和高阶拓扑绝缘子）之间的连接关系仅在由耦合的2D高阶拓扑绝缘子制成的系统中进行过测试。超出此极限并可能产生丰富材料特性的可能性尚待探索。

本文亮点
1、作者在具有单轴螺杆对称性的手性声子晶体中创建和实现了在多个维度上都表现出受拓扑保护边缘态的声子高阶Weyl半金属（HOWSM）。
2、这些拓扑边缘态将Weyl点（WP）的投影连接在不同的维度和方向上，因此证明了WSM中的高阶拓扑物理学。
3、该研究进一步建立了晶体材料中高阶拓扑与Weyl物理之间的基本联系，这激发了未来对其他潜在材料如高阶狄拉克半金属和高阶nodal-line半金属材料的进一步研究。

图1. WSMs 和HOWSMs。在常规的WSM中，WP携带非平凡的拓扑手性电荷NC，且带形拓扑表现为二维手性费米弧，该二维手性费米弧将WP的投影与不同的手性电荷相连。手性电荷NC等于k依赖的陈数变化，表明WPs是Berry通量的单极子源或吸收子。在HOWSM中，WP可同时携带手性电荷NC和高阶电荷Nq。

图2. 声子HOWSM。

图3. HOWSM的拓扑表面态。作者使用光敏树脂通过3D打印技术设计制造了一种机载声子晶体，以用其声子模拟来实现HOWSM。基于对称性的方法作者从理论上提出并在实验上观察到了表现出有趣多维拓扑现象的声子HOWSM。这种使用具有单轴螺杆对称性的四方晶格实现的声子HOWSM同时具有Weyl物理特性和高阶拓扑。

图4. 高阶铰链弧态。作者使用声泵探针光谱观察到了二维表面上并存的手性费米弧态和一维铰链边界上的弥散铰链弧态。在电子系统中实现HOWSM可能会导致材料在铰链边界处具有分数电子电荷及其他有趣的特性。这种在单一材料中将1D铰链上的铰链弧态与3D体块中的Weyl点和2D表面上的手性费米弧态进行集成的能力可能会产生有趣的材料性能和潜在的应用。