1月20日，由蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蔣建華教授和南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院蒲殷副教授合作，通過理論計(jì)算、原型設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合的研究方式，首次成功觀測(cè)到拓?fù)洳牧现行e(cuò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的穩(wěn)健光子局域態(tài)和分?jǐn)?shù)電荷，該成果以蘇州大學(xué)（Soochow University）為第一署名單位發(fā)表在《Nature》雜志上，論文題為“Bulk-disclination correspondence in topological crystalline insulators”（Nature 589, 381-385 (2021)）。本論文的四位共同第一作者中三位為95后碩士研究生。其中劉洋為蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院18級(jí)碩士研究生，林志康為17級(jí)碩士研究生。

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該工作主要介紹了蔣建華教授和蒲殷副教授合作團(tuán)隊(duì)在拓?fù)湮锢?/strong>方面取得的重要研究成果。自從量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，能譜的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系(bulk-edge correspondence)被認(rèn)為是拓?fù)洳牧?#xff08;包括拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)涑瑢?dǎo)體）最顯著的物理特征。因此，實(shí)驗(yàn)上拓?fù)洳牧贤皿w-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系來表征和區(qū)分。最近十年來，隨著物理理論、材料計(jì)算和材料制備技術(shù)的進(jìn)步，人們提出并發(fā)現(xiàn)了很多由晶體對(duì)稱性所保護(hù)的拓?fù)洳牧?#xff08;即拓?fù)渚w材料，包含拓?fù)渚w絕緣體、拓?fù)渚w半金屬、拓?fù)渚w超導(dǎo)體等）。這些材料甚至在已知的所有晶體材料中占據(jù)了相當(dāng)大的比例。然而，這些材料往往不遵循體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系，甚至很難通過能譜確定他們的拓?fù)渲笜?biāo)。這成為拓?fù)湮锢碇袑?shí)驗(yàn)和材料研究的一大挑戰(zhàn)。

圖1. 拓?fù)浣^緣體的體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系。左圖為五邊形的旋錯(cuò)結(jié)構(gòu)，數(shù)值為原胞電荷值。右圖為放大的旋錯(cuò)區(qū)域的Wannier芯（代表電荷，用紅點(diǎn)表示）的分布。

為解決這個(gè)問題，人們提出了一系列新的物理性質(zhì)來表征拓?fù)渚w材料。其中特別有用的是所謂的體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系。旋錯(cuò)是晶體材料中自然形成、普遍存在的一種缺陷結(jié)構(gòu)。表面附近的旋錯(cuò)可以通過顯微鏡找到。在體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系中，旋錯(cuò)可以誘導(dǎo)出分?jǐn)?shù)電荷（如圖1），且分?jǐn)?shù)電荷的數(shù)值完全依賴于拓?fù)渚w材料的拓?fù)渲笜?biāo)。由此，可以通過測(cè)量旋錯(cuò)誘導(dǎo)的分?jǐn)?shù)電荷判斷出材料的拓?fù)渲笜?biāo)。除分?jǐn)?shù)電荷之外，通常還會(huì)在旋錯(cuò)上發(fā)現(xiàn)拓?fù)湔T導(dǎo)的局域態(tài)。在拓?fù)涔庾泳w中，計(jì)算發(fā)現(xiàn)這些局域態(tài)可以作為非常穩(wěn)定的光學(xué)微腔，在應(yīng)用上具有重要的價(jià)值。

圖2. 左圖：實(shí)驗(yàn)測(cè)量局域態(tài)密度的示意圖。利用Purcell效應(yīng)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)（即亞波長(zhǎng)天線的輻射電阻正比于光子局域態(tài)密度）可以測(cè)量光子的局域態(tài)密度。右圖：橘黃色為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光子局域態(tài)密度，藍(lán)色為相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

蔣建華課題組和蒲殷課題組創(chuàng)造性地利用光子晶體作為拓?fù)渚w絕緣體的類比，通過構(gòu)建光子晶體旋錯(cuò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探測(cè)體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系的物理系統(tǒng)。在測(cè)量分?jǐn)?shù)電荷方面，通過與電子系統(tǒng)的類比，利用Purcell效應(yīng)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)測(cè)量光子的局域態(tài)密度（如圖2）。通過局域態(tài)密度可間接測(cè)得拓?fù)淠軒?dǎo)致的分?jǐn)?shù)電荷，由此發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了拓?fù)渚w絕緣體中旋錯(cuò)導(dǎo)致的分?jǐn)?shù)電荷5/2（見圖3）。由此，體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系首次在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)和發(fā)現(xiàn)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了旋錯(cuò)導(dǎo)致的光子局域態(tài)，并發(fā)現(xiàn)這些局域態(tài)僅存在于拓?fù)渚w材料中。這些驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)為拓?fù)湮锢砗筒牧系难芯块_辟了新的道路和方向，并特別顯示出光子晶體和超材料在基礎(chǔ)物理研究中的重要價(jià)值。

圖3. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的原胞電荷。由于系統(tǒng)的對(duì)稱性，僅測(cè)量了1/5的原胞（虛線框住的區(qū)域）。左圖：拓?fù)渚w絕緣體的電荷分布。右圖：平庸絕緣體的電荷分布。橘黃色區(qū)域?yàn)樾e(cuò)區(qū)域，灰色為體區(qū)域，綠色為邊界區(qū)域，藍(lán)色為角區(qū)域。

—THE END—

編輯?∑Gemini

來源：蘇州大學(xué)

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