1月20日，由蘇州大學物理科學與技術學院蔣建華教授和南京大學電子科學與工程學院蒲殷副教授合作，通過理論計算、原型設計、實驗表征相結合的研究方式，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，該成果以蘇州大學（Soochow University）為第一署名單位發表在《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物理科學與技術學院18級碩士研究生，林志康為17級碩士研究生。

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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隊在拓撲物理方面取得的重要研究成果。自從量子霍爾效應發現以來，能譜的體-邊對應關系(bulk-edge correspondence)被認為是拓撲材料（包括拓撲絕緣體、拓撲半金屬和拓撲超導體）最顯著的物理特征。因此，實驗上拓撲材料往往用體-邊對應關系來表征和區分。最近十年來，隨著物理理論、材料計算和材料制備技術的進步，人們提出并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、拓撲晶體超導體等）。這些材料甚至在已知的所有晶體材料中占據了相當大的比例。然而，這些材料往往不遵循體-邊對應關系，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。

圖1. 拓撲絕緣體的體-旋錯對應關系。左圖為五邊形的旋錯結構，數值為原胞電荷值。右圖為放大的旋錯區域的Wannier芯（代表電荷，用紅點表示）的分布。

為解決這個問題，人們提出了一系列新的物理性質來表征拓撲晶體材料。其中特別有用的是所謂的體-旋錯對應關系。旋錯是晶體材料中自然形成、普遍存在的一種缺陷結構。表面附近的旋錯可以通過顯微鏡找到。在體-旋錯對應關系中，旋錯可以誘導出分數電荷（如圖1），且分數電荷的數值完全依賴于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。除分數電荷之外，通常還會在旋錯上發現拓撲誘導的局域態。在拓撲光子晶體中，計算發現這些局域態可以作為非常穩定的光學微腔，在應用上具有重要的價值。

圖2. 左圖：實驗測量局域態密度的示意圖。利用Purcell效應的經典對應（即亞波長天線的輻射電阻正比于光子局域態密度）可以測量光子的局域態密度。右圖：橘黃色為實驗測量的光子局域態密度，藍色為相應的計算結果。

蔣建華課題組和蒲殷課題組創造性地利用光子晶體作為拓撲晶體絕緣體的類比，通過構建光子晶體旋錯結構實現探測體-旋錯對應關系的物理系統。在測量分數電荷方面，通過與電子系統的類比，利用Purcell效應的經典對應測量光子的局域態密度（如圖2）。通過局域態密度可間接測得拓撲能帶導致的分數電荷，由此發現并證實了拓撲晶體絕緣體中旋錯導致的分數電荷5/2（見圖3）。由此，體-旋錯對應關系首次在實驗上被證實和發現。與此同時，實驗還發現了旋錯導致的光子局域態，并發現這些局域態僅存在于拓撲晶體材料中。這些驗證和發現為拓撲物理和材料的研究開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物理研究中的重要價值。

圖3. 實驗測量得到的原胞電荷。由于系統的對稱性，僅測量了1/5的原胞（虛線框住的區域）。左圖：拓撲晶體絕緣體的電荷分布。右圖：平庸絕緣體的電荷分布。橘黃色區域為旋錯區域，灰色為體區域，綠色為邊界區域，藍色為角區域。

—THE END—

編輯?∑Gemini

來源：蘇州大學

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總結

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