【摘 要】
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拓扑物理学的迅猛发展起始于量子自旋霍尔效应的发现。量子自旋霍尔态具有受时间反演对称性保护的无能隙边界态,且边界态具有自旋-动量锁定的特性。对于没有自旋自由度的声学
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拓扑物理学的迅猛发展起始于量子自旋霍尔效应的发现。量子自旋霍尔态具有受时间反演对称性保护的无能隙边界态,且边界态具有自旋-动量锁定的特性。对于没有自旋自由度的声学或光学系统,我们可以通过额外的自由度来构造特定的赝自旋和满足T2=-1的赝时间反演对称性,同样能够获得赝自旋-动量锁定的边界态。近年来,寻找高阶拓扑材料成为凝聚态物理的研究热点,高阶拓扑绝缘体具有新的体-边对应关系,即边界态的维度要低于同维度的传统拓扑绝缘体的边界态。四极子拓扑绝缘体属于二维二阶拓扑绝缘体,存在拓扑保护的零维角态。然而四极子拓扑绝缘体依赖于π的磁通和反对易的镜面对称性,这在固体材料中很难实现,因此,目前四极子的实验工作都是基于人工周期的系统。在本文中,我们以人工周期的二维正方声子晶体为研究体系,在同一个体系的第一和第二带隙下,分别实现了偶极子带隙的量子自旋霍尔态和反常四极子拓扑态。对于第一带隙,我们利用非点群的镜面滑移对称性构造赝时间反演,并通过调节结构基元的旋转角度,使得M点的奇偶宇称态发生能带反转,从而发生拓扑相变,实现了声的量子自旋霍尔态。对于第二带隙,我们同样利用了镜面滑移对称性,来代替正则四极子绝缘体所需要的反对易镜面对称,实现了反常的拓扑四极子角态。通过调节几何参数,反常四极子态也可以发生拓扑相变,并由瓦尼尔能带的闭合来表征。两个带隙的拓扑态均由实验观测到,且鲁棒性得到验证。我们在同一个声学体系中实现了新奇的一阶和二阶拓扑态层级的并存现象,这在具有费米能级的固体材料中是缺失的。声学拓扑态有望在声谐振器、声的定向辐射、声隔离、以及集成声学器件等各方面得到广泛应用。
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