清华大学物理系徐勇、段文晖研究团队理论预言三维拓扑声子态

声子是晶格振动的元激发，是固体中热输运的主要载体。许多基本物性的调控（如导热、导电、超导电性）与重要的实际应用（如集成电路散热、热障涂层、热电转换）都需要有效地操控声子。然而，由于声子体系缺少电荷与自旋自由度，有效的物理操控很难实现。该工作发现具有晶格旋转对称的三维固体材料中存在一种声子赝自旋，该赝自旋可作为一种新型的量子自由度用于操控声子（图1）。其中图1（a）为三维晶体结构与布里渊区，图1（b）为同相位（I）及反相位（O）的声子赝自旋极化模式，图1（c）为同相位与反相位模式的声子色散关系，图1（d）位[001]表面的拓扑声子表面态，图1（e）为体态声子的赝自旋结构，导带为Rashba型，价带为Dresselhause型。

值得一提的是，该工作发现声子赝自旋与电子自旋满足类似的物理方程，揭示了两者之间隐含的对偶关系，为发展“赝自旋声子学”奠定了理论基础。基于声子的赝自旋物理，该工作提出了多种三维拓扑声子态，包括具有非平庸拓扑表面态的拓扑声子绝缘体和拓扑声子半金属，揭示了由赝自旋-轨道耦合效应引起的非同寻常的量子输运特性（如声子的全透射、全反射、定向传输）（图2）。其中，图2（a）为声子拓扑绝缘体表面态的量子隧穿示意图，图2（b）为声子透射率随入射角度的变化曲线，其中红色点划线、紫色实线与黑色虚线分别代表第一类拓扑表面态、第二类拓扑表面态与非拓扑表面态，图2（c）为声子透射率随势垒宽度的变化曲线。

这些发现对声子或声波的通信线路、三极管、定向天线传输等器件应用至关重要。演生的赝自旋物理为未来声子学研究提供了新的发展机遇。

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