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

来源：科技导报

清华大学物理系徐勇、段文晖研究团队理论预言了一类受晶格对称性保护的三维拓扑声子态，揭示了声子体系中隐含的赝自旋、赝自旋-轨道耦合及其演生的新奇物理效应，并进一步提出潜在的器件应用与可能的材料实现。相关成果以“具有可操控赝自旋物理的三维拓扑声子态”为题发表在Science合作期刊Research上（2019, 5173580 (2019)）。

图1 三维体系中的声子赝自旋与拓扑声子态

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。

图2 声子赝自旋-轨道耦合效应引起的新奇量子输运现象

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。

作者简介

徐勇，清华大学物理系副教授，兼任日本理化学研究所演生物质科学中心课题组组长（2015年至今）。2005年和2010年先后在清华大学获得理学学士学位和理学博士学位，毕业后在德国马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所（2010-2013年）作博士后、在美国斯坦福大学作研究学者（2013-2015年）。2011年获得德国洪堡奖学金，2015年入选国家青年千人计划。主要研究方向为基于第一原理计算，理解和预测反常量子效应与新奇材料特性。

徐勇，清华大学物理系副教授，兼任日本理化学研究所演生物质科学中心课题组组长（2015年至今）。2005年和2010年先后在清华大学获得理学学士学位和理学博士学位，毕业后在德国马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所（2010-2013年）作博士后、在美国斯坦福大学作研究学者（2013-2015年）。2011年获得德国洪堡奖学金，2015年入选国家青年千人计划。主要研究方向为基于第一原理计算，理解和预测反常量子段文晖，清华大学物理系和高等研究院教授、凝聚态物理研究所所长，中国科学院院士。1986年和1992年先后在清华大学获得理学学士学位和理学博士学位。2000年和2014年两次获中国国家自然科学奖二等奖，2013年获中国物理学会叶企孙物理奖，2017年当选为中国科学院院士。主要研究领域包括理论与计算凝聚态物理、计算材料学。效应与新奇材料特性。