声子晶体中高阶节点线半金属 | 前沿快讯No.43

武汉大学物理科学与技术学院人工微结构教育部重点实验室Qiyun Ma等在三维声子晶体中实现二阶节点线半金属。在模拟和实验中均观察到体节点线、由Zak相保证的二维鼓面表面态，以及由kz相关的四极矩引起的一维平面铰链态。相关研究成果以Observation of Higher-Order Nodal-Line Semimetal in Phononic Crystals为题，发表于《物理评论快报》Physical Review Letters, 2024, 132, 066601上。

自拓扑绝缘体的发现以来，物质的拓扑相一直是一个研究热点领域。与具有体能隙的拓扑绝缘体不同，拓扑半金属是具有非平庸体能带交叉特征的奇异拓扑相。已知的Weyl或Dirac 半金属、节点线半金属和节点表面半金属分别存在简并的零维点、一维线和二维表面。这些有趣的拓扑相的关键特征是体拓扑性质支持无能隙的边界态，称为体-边对应。对于d维系统，无论它们的体态有无能隙，这些拓扑边界状态在（d−1）维边界中存在。特别是，节点线半金属具有具有一维节点线，可以形成丰富的拓扑构型，如节点环、节点链、节点连接、节点结和节点网络。节点线通常对应一个非平庸的π Zak相位，导致鼓面表面态。最近的研究表明，节点线可以与四元数电荷描述的非交换拓扑有联系起来，并表现出编织拓扑结构。

高阶拓扑相推广了传统的体-边对应，反映在余维d_c > 1边界上的拓扑边界态。高阶拓扑绝缘体，包括二阶和三阶拓扑绝缘体，已经在声子晶体、光子晶体和电路中实现。自然地，高阶拓扑也可以出现在拓扑半金属中，从而产生高阶拓扑半金属的概念。高阶Weyl半金属具有三维体Weyl点、非封闭的二维表面费米弧和一维铰链弧，提出后很快得到实现。同时，在高阶狄拉克半金属中有趣的体-铰链对应也在声子晶体和光子晶体中得到了证实。最近，人们提出了具有一维节点线的高阶拓扑半金属，它同时具有二维鼓面表面态和一维铰链态。这些铰链态起源于非平庸的四极矩，Wannier中心或第二Stiefel-Whitney拓扑电荷。尽管之前有许多理论努力，但高阶节点线或节点表面半金属仍在实验中有待进一步探索。

本文作者利用声子晶体易于加工和测量的优势，理论设计与实验实现了一种三维声学二阶节点线半金属。在这个节点线半金属中，xy表面上的二维鼓面态由分布在k_x-k_y平面上的Zak相保证，同时xz表面和yz表面之间的一维铰链态则来源于依赖k_z的四极矩。作者采用紧束缚模型说明了节点线半金属的一阶和二阶拓扑特性，然后设计和制备声子晶体样品，来观察体节点线、鼓面表面态和铰链态，最终确认了二阶节点线半金属的存在性。

图1 简单立方晶格模型的二阶阶节点线半金属。

图2 声学二阶节点线半金属和体节点线的观测。

图3 鼓面表面态的实验观测。

图4 铰链态的实验观测。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066601

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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