山西大学在拓扑保护边界态输运研究取得进展

近日，山西大学激光光谱研究所陈刚教授带领的团队与武汉大学刘正猷教授等合作，在拓扑边界态输运方面取得了重要进展。通过堆垛具有交错在位能的双层六角晶格，引入二聚型层间耦合，在国际上首次实验证实了基于铰链态的三维鲁棒输运。相关成果题为“3D Hinge Transport in Acoustic Higher-Order Topological Insulators”于12月17日发表在Physical Review Letters（《物理评论快报》）。该论文以山西大学激光光谱研究所为第一单位，第一作者为博士研究生魏强，共同第一作者为硕士研究生张学伟，通讯作者为陈刚和刘正猷。

在拓扑绝缘体的范式中，拓扑保护边界态的发现为探索新的输运现象开辟了新途径。这种边界态具有鲁棒性，即使在无序和杂质的影响下，依然能保持其单向传输的特性，因而在电子和经典波器件中具有广阔的应用潜力。近年来，三维二阶拓扑绝缘体因其在棱上展现新奇的铰链态而引起了广泛关注。到目前为止，实验只观察到了单一方向的铰链态。但这种铰链态能否同时存在于三个独立方向上还有待证实。

为解决这个问题，研究团队利用双层六角晶格，引入交错在位能，沿着z方向以二聚型层间耦合的方式堆叠形成三维结构。通过合理的设置参数，获得四个区域，进一步根据Jackiw-Rebbi机制，在畴壁上获得沿着三个独立方向的铰链态。在此基础上，利用3D打印技术制备了声子晶体样品，通过测量元胞中的声压场，实验观察到了三个独立方向的铰链态色散和对应的声压场分布，以及从铰链到铰链的三维鲁棒输运。这种新型的声波传输现象为设计非常规功能声学器件奠定了重要的基础。

该工作得到量子光学与光量子器件国家重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省“1331工程”重点学科建设计划的支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.255501