Nature物理: 武大首创声子晶体的谷输运, 实现无障碍传输
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武汉大学课题组近日在“声谷学”方面取得了不错的研究进展。论文分别发表在顶级物理期刊Phys. Rev. Lett 和Nature Physics上。这是首次在经典波体系探讨并实现“谷电子学”的对应。该研究在声波体系的实现可以带来全新的声波操控方式；也证实谷态物理的经典-量子体系的统一性，从而可以把研究推广到光子体系等各种经典波体系，催生新应用。
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探索全新的电子操控方式一直是凝聚态物理的重要目标。最近，电子的谷自由度正引起越来越多的关注。谷自由度，也称为谷赝自旋，它标记动量空间中分立的能量极值态。能谷态不仅广泛出现于常规半导体材料中，也存在于当下热门的二维晶体中，如石墨烯、二硫化钼等。当不等价谷间的电子散射很弱时，谷指数成为描述电子运动状态的好参量。如同自旋电子学中的自旋自由度，谷自由度也可视为一种新的信息载体并用于设计新型电子器件，这促成新兴的谷电子学。最近，人们已经理论预测和实验观察到许多令人兴奋的谷态输运特性，如谷霍尔效应等。
由于周期结构中波动行为的相似性，谷状色散关系也常在经典波人工结构中出现。自上世纪80年代末以来，光波、声波等经典波在周期性人工结构中的奇异传播行为引起了人们的广泛关注。类比于晶体，这些人工结构被称为光子晶体或声子晶体。它们的主要特点在于，当波长和结构周期可比拟时，在其中传播的经典波会发生强烈的布拉格散射，从而产生频率带隙。与此同时，周期结构的散射也导致通带的性质显著不同于均匀介质，从而产生大量新奇的光、声传播特性，例如负折射、零折射效应等。此外，一些有趣的量子波动效应也相继在这些经典体系中被发现，例如安德森局域化、布洛赫振荡等。鉴于人工结构的宏观特性，结构单元的几何对称性及单元之间的耦合强度灵活可控，最近这些经典波体系也被视为检验或实现拓扑物理的优良平台。
图1 声子晶体中谷态的涡旋属性。
最近，武汉大学物理学院的研究团队将谷态的概念引入到经典体系中，揭示声谷态的涡旋属性并探讨相应的激发选择定则。具体地，声子晶体由正三角形散射体按六角晶格排列而成，旋转散射体可以产生不同的晶体对称性。对于某些特定的散射体取向，声子晶体可以支持狄拉克锥状色散；而对于更一般的情形，狄拉克简并打开并形成谷态。如图1所示，这些谷态具备分立的角量子数及涡旋特性。研究表明，声谷态可以通过两种不同的方式选择性地激发，即平行动量守恒机制、角量子数匹配机制。不同于凝聚态固体体系，即产生、探测纯的电子谷极化态通常需要其它外场的协助（如应力场、磁场、光场等），声波体系的谷态可以直接由特定频率的外来声场激发，并通过探测晶体内外的声场分布直接表征谷极化的纯度。
图2 声子晶体及声谷霍尔相变。
基于声谷态概念，以上研究团队进一步研究了声子晶体中的边界拓扑输运行为。对于电子体系，边界拓扑谷输运已经引起了人们的强烈兴趣。其中代表性的体系为外电场下的双层石墨烯结构：通过调控层间的堆垛方式及外电场的取向，可以产生不同的谷霍尔绝缘体，进而在不同绝缘相的边界预测、观察受拓扑保护的电子边界态。对于声波体系，研究所涉及的声子晶体依然由正三角形散射体构成，顺时针、逆时针旋转散射体可以实现不同谷霍尔相之间的转变。如图2所示，不同谷霍尔相由声谷态的涡旋取向和位置特性共同刻画。进一步研究表明，在两异相声子晶体之间的界面可以支持受拓扑保护的边界态。这种边界态具备一些传统声波导态所没有的新颖性质，例如谷选择性激发、拐弯抗反射传播等（见图3）。
图3 声波在弯曲通道内无反射地传播
通道由‘NP’状晶体边界构成。
以上研究的意义在于：
声谷态携带“动量-涡旋手性”锁定的特征，这为调控声场提供了新的自由度。声谷态携带轨道角动量，这在标量声学中也变得尤为有趣，因为它缺乏内禀的极化角动量；
通过激发谷态，人们可以方便地获取晶格式的声涡旋场，从而突破传统上用复杂声源阵列制作涡旋的能力。进一步考虑到声和物质之间的相互作用，这种声涡旋晶格将开启新的应用，如非接触地排列、旋转操控微颗粒等；
实现声谷霍尔相变诱导的边界态，一方面拓宽了现有的声拓扑材料；另一方面，基于边界态优异的传播特性，也可预期在声波集成通讯等方面的应用；
特别值得一提的是，该项设计充分利用了声子晶体的宏观特性。除了调节谷态及谷边界态的工作频率，旋转散射体也可以方便地实现谷涡旋取向及各种界面形态，从而灵活调控声波在声子晶体中以及界面上的传播。
总之，这项研究证实谷态物理在量子、经典体系的统一性，这将进一步促进其它经典波体系对谷态物理的研究，如光子体系等，从而催生全新的应用。
关于声谷态体输运、边界输运的工作分别发表在《Phys. Rev. Lett.》、《Nature Physics》上，第一作者均为武汉大学的博士生陆久阳，通讯作者为武汉大学的邱春印博士、刘正猷教授；UT Dallas大学的张帆博士参与合作了边界输运方面的工作。该论文受到科技部973项目、国家自然科学基金委项目等基金资助。
知社也连线采访了武汉大学刘正猷老师，请他谈谈这个工作的来龙去脉。
刘老师介绍说：
该工作主要受近几年热门的谷电子学研究的启发。我们自然地将概念引入到我们有很好研究基础的声子晶体中。2014年，我们做了一个工作，研究了二维体系中Dirac点的存在性，这一工作虽以声子晶体为平台，但其从对称性出发得到的结论是普适的，既适用于经典体系，也适用于量子体系。在这一工作，作为示例，我们通过旋转三角形来改变体系的对称性，显示Dirac点的出现及简并打开情况。Dirac点简并打开就形成了我们所说的“谷”。这是一个重要的工作基础，文章发表在PRB上。
Dirac点简并打开形成了谷，我们就可研究谷态、谷态的性质及效应，这包括了涡旋特性、谷态激发、Hall效应、角动量及力矩效应等。这部分工作就是在文中提到的PRL论文中展现的。
前面提到，那篇PRB论文给出了Dirac点从简并到打开随三角形全范围转角的变化。这张图其实就是一张相图，一个转角对应一个相。这是NP工作的出发点。我们发现，正转角和负转角的相是不同的托拓相，它们的能带刚好反转。在这两种不同相的界面，可形成谷边缘态。无论相界面如何弯曲复杂，谷边缘态具有无阻碍传输的特性，这有重要应用前景。
附全文链接：
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.093901
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3999.html
http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.89.134302
欢迎各位老师来稿介绍最新工作进展
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