《Physical Review Letters》：聲學奇異線半金屬中的拓撲現(xiàn)象
近日，我院聲學團隊與武漢大學劉正猷教授團隊合作，在非厄米拓撲聲學領域取得重要成果，相關研究成果以《Acoustic Exceptional Line Semimetal》為題，發(fā)表于物理學領域頂級期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》）。武漢大學博士生胡葉劍和我院青年教師吳吉恩為共同第一作者，武漢大學鄧偉胤教授、王自昱教授、柯滿竹教授和劉正猷教授為共同通訊作者。長沙理工大學為共一作者單位。
非厄米拓撲相在凝聚態(tài)物理領域備受關注，其獨特的性質，如源于復平面非平凡能譜拓撲的趨膚效應，為眾多研究方向提供了新的思路。而在三維非厄米系統(tǒng)中，奇異線半金屬的研究一直是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，尤其是其完整的非厄米體-邊對應關系，此前尚未得到充分探索。
該研究工作在三維節(jié)線半金屬聲子晶體中引入損耗，形成奇異線半金屬。通過在耦合波導中引入精心設計的損耗，使節(jié)線環(huán)分裂成一對由三維鼓面體態(tài)連接的奇異環(huán)。這些奇異環(huán)同時具備波函數(shù)拓撲和譜拓撲兩種特性。波函數(shù)拓撲由波函數(shù)纏繞數(shù)表征，能產(chǎn)生二維鼓膜表面態(tài)；譜拓撲由能譜纏繞數(shù)或譜面積體現(xiàn)，可以保證結構表面依賴的趨膚效應。
該研究工作首先基于面心立方晶格構建三維奇異線半金屬緊束縛模型，通過理論計算詳細闡述了奇異環(huán)的拓撲性質（圖1）。在實驗方面，制作了三維非厄米聲子晶體樣品，利用聲學腔和耦合波導分別模擬模型中的格點和耦合，精確測量了能帶色散和聲壓場分布，從而成功在實驗上證實了奇異環(huán)、鼓膜體態(tài)、鼓膜表面態(tài)以及非厄米趨膚效應（圖2）的存在。這一研究成果具有重要的科學意義和潛在的應用價值。從理論層面看，它揭示了三維非厄米奇異線半金屬的完整非厄米體-邊對應關系，為非厄米拓撲物理的研究提供了重要的理論依據(jù)。在應用方面，該成果為設計非厄米聲學器件開辟了新的途徑，有望在聲學傳感器、聲學濾波器等領域實現(xiàn)創(chuàng)新性應用，推動相關技術的升級與發(fā)展。
圖1. （a）奇異線半金屬緊束縛模型。（b）-（d）包含奇異環(huán)的體色散。（e）波函數(shù)纏繞數(shù)。（f）能譜纏繞。
圖2. （a）具有金字塔形狀的奇異線半金屬聲子晶體。（b）頻譜纏繞。（c）頻譜的實部。（d）-（f）面趨膚效應測量。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.116606