拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

声子晶体中的声谷态输运

如同自旋电子学中的自旋,固体中的能谷自由度可视为新的信息载体,从而用于未来的电子器件设计。最近,作者将谷态的概念引入到声子晶体中,揭示其涡旋属性并建立激发选择定则。有趣的是,声谷态可由外部声场直接激发,并通过探测声子晶体内外的声场分布展示其极化特性。这种涡旋手性锁定的谷输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到声和物质的相互作用,也可预期谷涡旋态的其它新奇应用,如旋转操纵微颗粒等。进一步研究发现,存在两类拓扑非平庸的声谷霍尔相,它们之间的界面可以支持拓扑保护的边缘态。研究表明,该边缘态具备各种新颖的性质,如谷选择性激发、边界拐弯抗反射等。     

基于手性声子晶体的谷拓扑声输运

研究手性风车形散射体构建的谷拓扑声波导。具有右手与左手手性风车形散射体的声子晶体具有截然不同的声谷拓扑特性。当两种手性风车形散射体从-60°旋转到60°时,其所构建的声子晶体均出现2次偶然简并的狄拉克点与谷霍尔相变。基于两种具有相反谷霍尔相的手性声子晶体构建的谷拓扑声波导,在其重叠体带隙内存在一对局域在波导分界面处的谷态边缘态。实验研究表明,该边缘态可以很好的支持谷拓扑声输运,且对弯曲与无序两种缺陷具有一定的鲁棒性.     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

基于声子晶体板的弹性波拓扑保护边界态

基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性,受到广泛关注.本文设计了一种声子晶体板结构,通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺,从而构造四重简并态.与现有利用能带"区域折叠"进行构造的方法相比,该方法简化了声子晶体的元胞构型.元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度θ,研究发现,旋转角度θ=0°时,元胞能带结构存在两个二重简并态,调整旋转角度到±33°时,布里渊区中心G点处出现四重简并态,并发现旋转角度越过±33°时均会发生能带反转,这表明调整晶体结构参数θ使得体系经历拓扑相变.利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞,并通过计算其投影能带,发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态.在此基础上,构造多种不同类型的弹性声子晶体板,验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性.本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点,为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.     

一维颗粒声子晶体的拓扑相变及可调界面态

基于Su-Schrieffer-Heeger模型,构造了一种一维非线性声子晶体,通过调控外加在声子晶体上的预紧力,可调控声子晶体的拓扑态,从而实现拓扑相变.利用这一效应,把该非线性声子晶体与另一线性声子晶体形成异质结构,可以实现一种新型声学开关:通过调节预紧力即调控非线性声子晶体的拓扑相,可以实现异质结构中界面态从无到有的转变,从而实现了开关效应.利用该效应可望开发新型声学器件,如可调谐振器、可调滤波器、可调隔振器等.     

Dirac光子晶体

Dirac费米子作为粒子物理中的基本粒子之一,其理论在近年来蓬勃发展的拓扑电子理论领域中被广泛提及并用来刻画具有Dirac费米子性质的电子态.这种特殊的能态通常被称为Dirac点,在能谱上表现为两条不同能带之间的线性交叉点.由于Dirac点往往是发生拓扑相变的转变点,因而也被视为实现各种拓扑态的重要母态.作为可与拓扑电子体系类比的拓扑光子晶体因其独特的潜在应用价值也受到人们的广泛关注,实现包含Dirac点的光子能带已成为研究拓扑光子晶体的核心课题.本文基于电子的拓扑理论,简要地回顾了Dirac点在光子系统中的研究进展,特别介绍了如何在光子晶体中利用不同晶格对称性实现在高对称点/线上的Dirac点,以及由Dirac点衍生的Weyl点.     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个。阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度。文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄的相关工作。在此基础上提出在磁性拓扑绝缘体系统中进一步提高量子反常霍尔效应温度的路线图。

     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

二维光/声学拓扑态

文章主要介绍光/声学拓扑态的基本概念和研究背景,评述了这一领域中二维体系研究的进展。首先简要回顾了霍尔效应及其与贝利曲率和对称性的关系,接着综合分析了不同对称性条件下的光和声拓扑态,包括光/声量子霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应的相关工作,最后讨论了该领域可能的发展方向和前景。     

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计，并与平面波展开法相结合，研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题，发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式. 关键词： 声子晶体 声子带隙 遗传算法     

Tunable topological quantum states in three- and two-dimensional materials

We review our theoretical advances in tunable topological quantum states in three- and twodimensional materials with strong spin–orbital couplings. In three-dimensional systems, we propose a new tunable topological insulator, bismuth-based skutterudites in which topological insulating states can be induced by external strains. The orbitals involved in the topological band-inversion process are the d- and p-orbitals, unlike typical topological insulators such as Bi₂Se₃and BiTeI, where only the p-orbitals are involved in the band-inversion process. Owing to the presence of large d-electronic states, the electronic interaction in our proposed topological insulator is much stronger than that in other conventional topological insulators. In two-dimensional systems, we investigated 3d-transition-metal-doped silicene. Using both an analytical model and first-principles Wannier interpolation, we demonstrate that silicene decorated with certain 3d transition metals such as vanadium can sustain a stable quantum anomalous Hall effect. We also predict that the quantum valley Hall effect and electrically tunable topological states could be realized in certain transition-metal-doped silicenes where the energy band inversion occurs. These findings provide realistic materials in which topological states could be arbitrarily controlled.     

From magnetically doped topological insulator to the quantum anomalous Hall effect

Quantum Hall effect （QHE）, as a class of quantum phenomena that occur in macroscopic scale, is one of the most important topics in condensed matter physics. It has long been expected that QHE may occur without Landau levels so that neither external magnetic field nor high sample mobility is required for its study and application, Such a QHE free of Landau levels, can appear in topological insulators （TIs） with ferromagnetism as the quantized version of the anomalous Hall effect, i.e., quantum anomalous Hall （QAH） effect. Here we review our recent work on experimental realization of the QAH effect in magnetically doped TIs. With molecular beam epitaxy, we prepare thin films of Cr-doped （Bi,Sb）2Te3 TIs with well- controlled chemical potential and long-range ferromagnetic order that can survive the insulating phase. In such thin films, we eventually observed the quantization of the Hall resistance at h/e2 at zero field, accompanied by a considerable drop in the longitudinal resistance. Under a strong magnetic field, the longitudinal resistance vanishes, whereas the Hall resistance remains at the quantized value. The realization of the QAH effect provides a foundation for many other novel quantum phenomena predicted in TIs, and opens a route to practical applications of quantum Hall physics in low-power-consumption electronics.     

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体（Bi2Se3, Bi2Te3 和 Sb2Te3）薄膜中掺杂过渡金属元素（Cr 或 Fe）实现量子化反常霍尔效应的方法.     

二维声子晶体中Zak相位诱导的界面态

界面态具有巨大的实际应用价值,因此寻找界面态是一个既有科学意义也有应用前景的课题.在本文中,我们通过把二维正方晶格声子晶体的结构单元进行倾斜,构造出具有线性狄拉克色散的斜方晶格体系.狄拉克色散引起体能带Zak相位的π跃变,使得位于狄拉克锥投影能带两边的带隙具有不同符号的表面阻抗,从而导致由正方晶体体系与由其“倾斜”的斜方晶格体系构成的界面处存在确定性的界面态.     

基于平面波算法的二维声子晶体带结构的研究

介绍了平面波算法计算声子晶体带结构的分析过程，计算了二维双组分液相体系声子晶体的带结构.结果表明，四氯化碳/水银体系比水银/四氯化碳体系更容易产生带隙.随分散相填充分数f的增加，四氯化碳/水银体系声子晶体带隙宽度ΔΩ先增加，后减小，当f=0229时，有最大值ΔΩ=0549；水银/四氯化碳体系的带隙宽度一直增大，当f=0554时，有最大值ΔΩ=0515；f一定时，改变分散相单元的几何尺寸和点阵常数，带隙宽度ΔΩ保持不变. 关键词： 声子晶体 声子带隙 平面波算法 带结构     

径向声子晶体隔声特性*

该文构造了由两种匀质材料交替分布的径向声子晶体柱壳模型。首先,针对声波在其中的轴对称传播情况进行了理论分析,建立了声波由内向外传播的传递矩阵,进而导出了声压透射系数和隔声量表达式。采用数值分析的方法系统地讨论了径向声子晶体柱壳的隔声特性,并与单一材质柱壳的传播规律进行对比分析,其次,借助有限元仿真分析的手段对数值结果进行了验证。最后,详细分析了内外流体的特性阻抗对径向声子晶体柱壳隔声特性的影响,得到了相应的参数影响规律。研究表明,径向声子晶体柱壳存在声波带隙,导致其在带隙范围内的隔声效果远远优于单材质柱壳,并且该结构的固有特性突破了质量定律的限制;声波带隙内表面局域态现象出现与否由内外声场和结构场共同决定。     

二维8重固-流型准周期声子晶体带隙特性研究

针对二维8重固-流型(钢-水)准周期声子晶体,通过实验方法测试得到了不同大小准周期系统的透射谱,并利用有限元方法计算了准周期体系的频散曲线和透射谱.结果显示,实验与有限元方法所得透射谱结果基本符合,但有限元方法得到的透射谱显示的带隙特性更为明显;二维固-流型8重准周期声子晶体选用包含其中心拼图在内的最小超元胞可以近似计算整个准周期结构的频带结构.     

Wave localization in two-dimensional porous phononic crystals with one-dimensional aperiodicity

The localization properties of in-plane elastic waves propagating in two-dimensional porous phononic crystals with one-dimensional aperiodicity are initially analyzed by introducing the concept of the localization factor that is calculated by the plane-wave-based transfer-matrix method in this paper. The band structures characterized by using localization factors are calculated for different phononic crystals by altering matrix material properties and geometric structure parameters. Numerical results show that the effect of matrix material properties on wave localization can be ignored, while the effect of geometric structure parameters is obvious. For comparison, the periodic porous system and Fibonacci system with rigid inclusion are also analyzed. It is found that the band gaps are easily formed in aperiodic porous system, but hard for periodic porous system. Moreover, compared with aperiodic system with rigid inclusion, the wider low-frequency band gaps appear in the aperiodic porous system.