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2021-01-22 作者:電子科學與工程學院 來源:科學技術處

《Nature》正刊刊登電子學院蒲殷與蘇州大學蔣建華教授課題組最新成果:拓撲晶體絕緣體的體——旋錯對應關係

120日,電子科學與工程學院蒲殷副教授與蘇州大學物理學院蔣建華教授團隊合作,通過理論計算、原型設計、實驗表徵相結合的研究方式,首次成功觀測到拓撲材料中旋錯結構導致的穩健光子局域態和分數電荷,該成果以“Bulk-disclination correspondence in topological crystalline insulators”為題發表於《Nature》雜誌上(Nature 589, 381-385 (2021))。

拓撲光子學是凝聚態物理和光學高度融合的交叉課題,為電磁波的調控提供了一種全新的操控平台。對於傳統拓撲材料(如拓撲絕緣體、拓撲半金屬和拓撲超導體),最顯著的物理特徵是其能譜的體-邊對應關係(bulk-edge correspondence),常被作為區分和表徵拓撲材料的方法。最近十年來,隨着物理理論、材料計算和材料製備技術的進步,人們提出並發現了很多由晶體對稱性所保護的拓撲材料(即拓撲晶體材料,包含拓撲晶體絕緣體、拓撲晶體半金屬、拓撲晶體超導體)。這些材料往往不遵循體-邊對應關係,甚至很難通過能譜確定他們的拓撲指標。這成為拓撲物理中實驗和材料研究的一大挑戰。

旋錯是晶體中會自然形成、很常見的一種缺陷結構。在此項工作中,作者設計提出一種基於具有C6對稱性的光子晶體的人工光子旋錯模型,發現在體-旋錯對應關係中,旋錯可以誘導出分數電荷(如圖1),且分數電荷的值完全依賴於拓撲晶體材料的拓撲指標。由此,可以通過測量旋錯誘導的分數電荷判斷出材料的拓撲指標。

圖1. 拓撲絕緣體的體-旋錯對應關係。

 作者指出這種旋錯拓撲晶體絕緣體還會存在拓撲誘導的局域態。該局域態具備非常穩定的電磁性能,可作為未來新型光學微腔的設計。他們進一步類比電子系統,利用Purcell效應的經典對應測量光子的局域態密度,並以此間接測得旋錯導致的分數化的電荷5/2(如圖2)。這些驗證和發現為拓撲物理和材料的研究開闢了新的道路和方向,突顯了光子晶體和超材料在基礎物理研究中的重要價值,為未來構造光拓撲器件原型提供了理論基礎。

圖2 旋錯光子晶體態密度表徵和分數電荷計算

此項工作蘇州大學劉洋、林志康和南京大學19級碩士生梁樹煒和李飛飛副研究員為論文的共同第一作者,蘇大蔣建華教授和南大蒲殷副教授為論文的共同通信作者。電子學院18級碩士陶秀鋒在實驗設計、測量和結果分析等方面做出了重大貢獻。該研究工作得到了國家自然科學基金委、江蘇省優勢學科和中央高校等項目和平台的資助,以及南京大學電子科學與工程學院的大力支持。

 全文鏈接://www.nature.com/articles/s41586-020-03125-3