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          武漢大學科研進展:拓撲聲學領域連續發表兩項成果……

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            1、劉正猷、邱春印、柯滿竹團隊在拓撲聲學領域連續發表兩項成果

            物理科學與技術學院劉正猷、邱春印、柯滿竹研究隊在拓撲聲學領域陸續發表兩項研究成果。一篇題為“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”(《二次型Weyl點和雙螺旋費米弧的實驗觀測》)的論文,發表於(Nature Communications《自然•通訊》)上,另一篇題目為“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”(《對稱性保證的三維狄拉克聲子晶體》)的論文,發表於Light: Science & Applications(《光:科學與應用》)上。

            論文“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”第一署名單位為武漢大學,何海龍博士後為第一作者,邱春印教授、劉正猷教授為論文共同通訊作者。這項工作的合作者還包括武漢大學博士生蔡祥曦,武漢大學肖孟教授、柯滿竹教授,以及美國UT Dallas大學張帆教授。這兩項研究受國傢重點研發項目、國傢自然科學基金委重大項目等基金資助。

            近年來,人們對拓撲半金屬進行瞭大量研究。其中典型的例子是狄拉克半金屬和外爾半金屬(分別以三維佈裡淵區中孤立的四重和二重線性簡並為特征),它們是高能物理的類比物。最近,超越以上高能類比的“非常規準粒子”在凝聚態物理和材料科學領域引起瞭極大關註。

            基於三維手性聲子晶體,這項研究實驗報道瞭二次型外爾點及其相應的雙螺旋拓撲表面態。區別於現有的“非常規準粒子”,如三重或四重線性簡並的自旋-1外爾點和荷-2狄拉克點,這裡的二次型外爾點是二重簡並點,在其附近沿兩個方向是拋物型、第三個方向是線性(見圖1)。除以上反常的體色散特征外,還實驗揭示瞭奇異的雙螺旋拓撲表面態,它從二次型外爾點出發,終止於兩個常規的線性外爾點,進一步為這種非常規的拓撲節點提供瞭確鑿的實驗證據(見圖2)。

          圖1:(a)聲子晶體中四個不同外爾點的局部放大圖,其中Γ點和A點的二重簡並點為二次型外爾點,其它為常規外爾點。(b-d)相應的實驗證明。

          圖2:雙螺旋拓撲表面態的實驗驗證。

            論文“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”的唯一署名單位為武漢大學,物理科學與技術學院博士生蔡祥曦為第一作者,葉莉萍博士後、劉正猷教授為共同通訊作者。這項工作的合作者還包括邱春印教授、肖孟教授、餘睿教授,以及柯滿竹教授。

            發現新的拓撲物態已成為基礎物理學和材料科學的一個重要目標。作為最具代表性的拓撲物態之一,三維狄拉克半金屬(DSM)是探索拓撲相變和其他新穎拓撲量子態的絕佳平臺。它可以容納許多奇特的傳輸特性,如反常磁阻和超高遷移率。目前,研究者們發現DSM相可偶然出現於正常絕緣體和拓撲絕緣體的轉變處。要達到這樣的臨界點,需要對材料的化學組分進行微調,這一點在實驗上很難實現。三維DSM也可以在不微調材料組分的情況下出現,主要分為兩大類。第一類是基於能帶反轉機制,已在Na3Bi和Cd3As2中實現。在這類體系中,狄拉克點始終成對出現在動量空間的旋轉軸上;在維持晶體對稱性不變的情況下,可以通過連續調節參數將它們成對湮滅。第二類DSM中的狄拉克點穩定地釘紮在佈裡淵區的離散高對稱點上。顯著區別於第一類體系,這類狄拉克點受非點式空間群保證,在維持晶體對稱性的情形下無法消除。盡管人們已經提出一些固態候選材料,由於材料合成的巨大挑戰,這類對稱性保證的狄拉克晶體尚未實驗實現。最近,人們利用經典波體系(如聲子晶體)實現瞭許多不同的拓撲物態;這類結構參數可控的宏觀體系也為探索全新的拓撲物理提供瞭機遇。

            在這項工作中,研究人員構造並實現瞭對稱性保證的三維狄拉克聲子晶體(見圖3)。通過聲學實驗測量角分辨透射譜,實驗表征瞭體系的狄拉克點(見圖4)。此外,實驗測量的表面聲場及其相關的傅裡葉譜揭示瞭無能隙的四螺旋表面態(見圖5),這和以往在電子體系中觀察到的雙費米弧表面態顯著不同。以此晶體結構為出發點,可通過降低晶體對稱性的方式,設計各種有趣的三維聲學拓撲態。值得指出,這裡狄拉克點周圍的色散呈各向同性。因此,該宏觀系統可為研究對相對論物理提供新的機遇,並為聲學應用領域提供獨特的平臺。

          圖3:聲子晶體中對稱性保證的狄拉克點以及四螺旋拓撲表面態

          圖4:實驗表征狄拉克點

          圖5:實驗觀測四螺旋拓撲表面態

            2、汪成課題組三維共價有機框架研究取得新進展

            近期,國際權威期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)發表化學與分子科學學院汪成教授課題組的最新研究成果,該研究提供瞭一種簡單而普適的方法來拓展構築三維共價有機框架(3D COFs)的四面體節點。

            論文題為《將單體從平面扭轉至四面體合成共價有機框架》(“Twist Building Blocks from Planar to Tetrahedral for the Synthesis of Covalent Organic Frameworks”)。博士研究生高超(武漢大學)和黎建博士(北京大學)為論文共同第一作者,汪成與北京大學孫俊良研究員為共同通訊作者。

            共價有機框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)是一類新興的晶態有機多孔材料,在眾多領域展現出廣闊的應用前景。當前COFs的研究主要集中在二維體系,三維(3D)COFs的報道仍然很少。究其原因,主要是3D COFs的合成難度大、結構表征困難、構築基元特別是立體構築基元非常有限等。從立體幾何角度來看,3D COFs的構建通常需要一個可向三維空間延伸的立體構築單元。然而,現有的四面體節點種類很匱乏(主要為四苯基甲烷或金剛烷的衍生物),嚴重限制瞭3D COFs的發展。

            前期研究中,汪成課題組提出瞭“4+4”連接方式來構築三維COFs的拓撲設計新策略。本文中,他們通過增加空間位阻將平面型分子扭轉成四面體的策略,采用“4+4”連接方式,利用取代基不同的聯苯基前體合成瞭具有不同維度的兩種COFs(2D-BPTA-COF和3D-BMTA-COF)。由結構解析得知,2D-BPTA-COF為層狀堆積結構,聯苯的二面角為~ 0˚;當在聯苯鄰位引入位阻較大的甲基後,其二面角變為~ 60˚,3D-BMTA-COF具有為五重互鎖pts結構。此結構表明,通過增加位阻可將前體分子從平面型扭轉成四面體構型,進而構築3D COFs,為後續豐富三維COFs的結構多樣性提供瞭一種新思路。

            3、肖孟、邱春印、劉正猷帶拓撲荷節面半金屬研究取得進展

            近期,Science Advances(《科學進展》)發表瞭題為“Experimental demonstration of acoustic semimetal with topologically charged nodal surface ”(《帶拓撲荷節面聲學半金屬的實驗演示》)的研究論文,介紹瞭一種新的拓撲物態——帶拓撲荷節面半金屬,並提供瞭刻畫該新物態的有效緊束縛哈密頓量。

            署名單位為斯坦福大學和武漢大學,肖孟教授和葉莉萍博士後為第一作者,邱春印教授、劉正猷教授和范汕洄教授為論文的共同通訊作者。這項工作的合作者還包括武漢大學的博士後何海龍。該研究受國傢自然科學基金委重大項目等基金資助。

            近年來,新拓撲非平凡態的研究在凝聚態物理、光學和聲學等領域備受關註,並且成果顯著,如二維量子自旋霍爾效應和拓撲無能隙半金屬,以及三維Weyl半金屬、Dirac半金屬、節線半金屬和節面半金屬等。Wely點處拓撲荷的存在使得能帶的簡並變的穩定,並產生瞭一系列有趣的現象。然而,已知的節線、節面半金屬沒有攜帶陳數拓撲荷,人們還不清楚拓撲荷是否存在於更高的維度。探索高維帶拓撲荷能帶簡並不僅豐富瞭拓撲半金屬族,而且可以使得拓撲電荷的控制更加靈活,從而改變手征異常和負磁阻等相關現象的表現形式。

            這項實驗研究報道瞭一種新的拓撲物態——帶拓撲荷節面半金屬,並提供瞭刻畫該新物態的有效緊束縛哈密頓量。同時,研究人員構造瞭三維的聲子晶體(見圖1),通過實驗探測拓撲表面態揭示瞭帶拓撲荷節面的存在(見圖2)。此外,肖孟的另外一個工作中也指出瞭帶拓撲荷節線半金屬的存在以及大量與拓撲荷相關的新現象(PRB 99, 094206 (2019)),為拓撲材料設計提供瞭新的機遇。

          圖1:帶拓撲荷節面的3維聲子晶體

          圖2:拓撲表面態的實驗探測