人工微结构物理实验室重要研究进展在Physical Review Letters上发表

近日,华南理工大学物理与光电学院人工微结构物理实验室团队在理想二类Weyl点的实现和Weyl相的拓扑相变方面取得了重要进展。研究结果“Ideal type-II Weyl phase and topological transition in phononic crystals”(《声子晶体中的理想二类外尔相和拓扑相变》)在线发表在物理学顶级期刊Physical Review Letters上。其中,华南理工大学为论文的第一署名单位,黄学勤教授为论文的第一作者,邓伟胤副教授、陆久阳副教授和武汉大学刘正猷教授为论文的共同通讯作者。

  该研究论证Weyl半金属的拓扑相变的科学问题。Weyl点及其拓扑物性的研究一直是凝聚态物理研究的前沿热点课题。Weyl点有两种类型:一类Weyl点具有点状费米面,而二类Weyl点具有强烈倾斜的圆锥色散并具有锥形费米面。这个特点使得二类Weyl半金属具有许多独特的性质,包括各向异性的手征反常和反手性Landau能级。一类和二类Weyl点都已经在凝聚态系统和人工周期性结构中实现,包括光子晶体和声子晶体。然而,这些Weyl点通常处于不相同的频率,因此严重限制了Weyl物理的进一步探索。为了克服这个困难,科学家提出了理想Weyl点的概念,它们通过对称性关联而处于相同的频率。尽管人们已经在光子晶体中实现了理想的一类Weyl点,但理想的二类Weyl相仍然未被实现。此外,由三个Pauli矩阵描述的Weyl点对微扰都是稳定的,因此对Weyl半金属的拓扑相变的研究较少。


图1 声学理想二类Weyl点和拓扑相变

  该研究通过3D打印实现了一个三维Weyl声子晶体(图1(a)),该声子晶体由周期性排列的层状三角柱子所构成,层间耦合通过刻有不同大小圆孔的隔板来实现。该结构在动量空间拥有四个理想的二类Weyl点(图1(c)和(d)),它们受到镜面和时间反演对称性的保护而处于相同的频率,同时,费米弧表面态存在于Weyl相的表面。此外,研究人员通过旋转该声子晶体中的三角柱子,实现了从Weyl半金属到两种不同类型的谷拓扑绝缘体的相变(图1(b)),在两个不同的谷相的界面上发现了费米环表面态,其色散的等频线是闭合的。研究人员进一步实验观测了费米环表面态的反常分流输运(图1(e)和(f))。

  据了解,物理与光电学院人工微结构物理实验室声学团队主要研究经典波中的拓扑物理和新奇的输运行为,已经以华南理工大学为第一单位在Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications和Physical Review Letters等期刊上发表多篇文章。该项工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、广东省珠江人才计划项目、广东省杰出青年基金、中央高校基本科研基金项目的支持。(图文/通讯员 黄学勤 梁栋 物理与光电学院 编辑/许颖)


附:论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.206802


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