【科讯】苏州大学蒋建华/南京大学蒲殷最新Nature！| 研之成理

▲第一作者：Yang Liu, Shuwai Leung, Fei-Fei Li & Zhi-Kang Lin

通讯作者：Yin Poo & Jian-Hua Jiang

通讯单位：Nanjing University & Soochow University

DOI：10.1038/s41586-020-03125-3

背景介绍

对称性在物质的拓扑相研究中起着关键作用，大多数天然和人造材料都具有晶体结构，这其中会出现大量的拓扑相。最近对拓扑材料构建目录分类的尝试表明，固态晶体中的230个空间群会导致产生大量具有很大分类的拓扑晶体绝缘体（TCI）。虽然体-边对应关系已被广泛用于根据边缘特性来确定能带拓扑的实验中，但这不足以辨别各种拓扑晶体相，这主要是因为晶体边界（表面，边缘等）具有较低的对称性，比体相的信息少。从而导致对大类拓扑晶体材料家族的实验分类提出了挑战。理论上已经预言，错位（普遍存在的晶体学缺陷）可以为边缘以外的晶体拓扑结构提供有效的探测，但是尚未在实验中得到证实。

因此，如何通过实验识别晶体拓扑相是当前面临的巨大挑战！

本文亮点

1、作者首次取得了体-错位关系的实验证明，其表现为分数谱电荷和错位处鲁棒的束缚态。

2、通过体-错位关系对晶体拓扑进行的实验鉴定可以直接推广到电子拓扑晶体材料，其中错位态和局域态密度可以使用扫描隧道显微镜直接测量。

3、体-错位对应关系的这一实验证实揭示了拓扑相的一种基本特征，为探索其他拓扑材料开辟了新途径。

图文解析

▲图1. 作为晶体拓扑体探针的错位

要点：

1、体-错位的对应关系可以用具有六重旋转（C6）对称性的二维（2D）TCI的具体示例来说明，错位是通过去除2π/6完美晶体的扇区并将剩余的部分粘合在一起而构成的。

2、作者认为，TCI可以用紧束缚模型进行理论上描述，其晶胞间耦合比晶胞内耦合强，可以通过互换这些耦合来实现正常绝缘体（NI）相。

3、TCI和NI都具有定义明确的指示了整个电荷分布的Wannier中心。在TCI中Wannier中心位于晶胞的边缘，因此每个Wannier中心由两个晶胞共享并向其中一个贡献1/2电荷，而在NI相Wannier中心位于晶胞的中心。

4、分数错位电荷源自受对称保护的体电荷模式，这是许多拓扑晶体绝缘体（TCI）的基本属性。此外，虽然错位处的鲁棒束缚态作为TCI的次要属性但仍可通过实验被直接观察到。

▲图2. 光子TCI和错位

要点：

1、作者使用可重构光子晶体作为具有更高阶拓扑的光子TCI，通过泵浦探针和近场检测测量来观察这些标志性特征。

2、结果表明，分数电荷和局域态都在TCI相的错位处出现，而在平凡相中消失。 

▲图3. 体-错位对应关系

▲图4. 错位态的测量

要点：

1、作者通过检测分数谱电荷和错位处的局域态，实验证明了这种拓扑现象，即体-错位关系。相反，在NI相错位中，作者从计算和实验中都发现带隙中没有局部状态。

2、固态材料中错位的普遍存在将促进这类实验的进一步开展，作者的研究为拓扑结晶相的研究开辟了新领域——一个具有大量未开发材料和现象的前沿。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03125-3

作者简介

蒋建华

蒋建华，苏州大学物理科学与技术学院教授。中国科学技术大学本科(2004年)、硕博连读博士(2010年)。先后在以色列Weizmann研究所（导师：Yoseph Imry教授，2016年沃尔夫物理奖得主）和加拿大多伦多大学（导师：Sajeev John教授，光子晶体创始人之一）从事博士后研究。2015年起任苏州大学物理学院教授。

研究领域：1. 拓扑经典波动；2. 非弹性热电和非平衡统计。发表论文几十篇，含Nature Physics 1 篇、Physics Reports 1 篇、Nature Commun. 4 篇、Phys. Rev. Lett.和Laser & Photonics Reviews 各 2 篇，Phys. Rev. X、ACS Nano 和 Advanced Science 各 1 篇以及其它 Phys. Rev.系列 28 篇等。

主页：

http://web.suda.edu.cn/jianhuajiang/list.htm

蒲殷

蒲殷，2012年毕业于南京大学，获工科博士学位，同年留校任教。现为南京大学电子科学与工程学院副教授、硕士生导师。曾赴美国威斯康星麦迪逊大学访学一年。获江苏省优秀博士论文，2020年入选南京大学“仲英学者”。

现主要从事电磁拓扑、人工周期结构对电磁波调控等研究。主持承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、预研项目等7项。已在Nature Commnication，Physical Review Letters等一流期刊发表学术论文几十篇。研究方向：1. 基于周期结构和集总元件的电磁拓扑设计。2. 人工电磁周期结构的设计与制备。3. 高性能电磁拓扑谐振腔原型设计。

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