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余睿課題組四維空間拓撲物態研究新進展

來源:  發布時間:2020-05-28 15:41:38 點擊次數:

固體能帶理論讓人們認識到材料可以分為金屬、絕緣體或者半導體。十多年前,人們進一步認識到能帶還可以根據對稱性和空間維度做詳細的拓撲分類,并在天然材料和人工材料中對各種拓撲物態開展了非常廣泛的研究,提出或驗證了多種一維到三維的拓撲物態。但在拓撲分類理論中還存在很多空間維度高于三維的物態,它們具有低維系統不具備的新穎物性,一直吸引著科學工作者的好奇心。可是我們生活的世界是一個三維空間,天然存在的和人工容易制備的材料維度難以高于三維。因此目前對高維度拓撲物態的研究還是理論上的空中花園,美麗但難以觸及。

近期,《國家科學評論》(National Science Review) 發表了武漢大學余睿、南京大學趙宇心和斯圖加特馬克斯-普朗克研究所的Andreas Schnyder 關于四維空間拓撲絕緣態的研究成果。 研究人員利用電路具有連接自由度高、不受空間維度制約的特性,用電容和電感器件構建了一個具有四維連接性質、滿足經典時間反演對稱的電路網絡(如圖)。

通過理論分析,研究者證明此系統具有四維拓撲絕緣態的性質拓撲絕緣體是一種很特殊的材料:系統體內絕緣,但表面因為存在拓撲保護的、無能隙的表面態而具備高度導電性。類似的,對于具有四維拓撲絕緣態性質的電路網絡,體內頻譜具有能隙,但其三維表面上存在一對符合三維Weyl態特征的能隙閉合點(圖b)。 更重要的是,這種特殊的表面態起源于四維空間的拓撲數--第二陳數。拓撲數確定了Weyl態必須成對出現在邊界上且具有相同的手征(圖a),即它們的內稟旋轉自由度和傳播方向遵循相同的左手或右手定則(圖c)。這些物態對系統的輸運和響應可以帶來很多低維系統不具備的新奇性質。研究者指這種四維拓撲態能夠在電路板或集成電路晶圓上實現;系統表面的三維Weyl態的性質可通過電路節點電壓表征和操控。

(a)四維電路投影到二維電路板上。其三維邊界上可以存在一對手性相同的外爾點。(b)三維邊界上體態(灰色部分)和外爾點的色散(紅色部分)。 (c) 外爾點手性示意圖。


該成果為研究高維物態和其它任意維度的新奇物態提供了一個新的物理平臺;為拓撲物態的驗證、探索和應用提供了新的思路和方法。研究人員期望該方案能夠在拓撲相變、非線性效應、高維物態、非平衡現象以及開放量子系統(非厄密系統)的研究中起到重要作用。

研究得到了科技部科研項目和國家自然科學基金的資助,相關成果發表于《國家科學評論》(National Science Review)。

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