我院张欣教授课题组在《Physical Review B》发表非厄米声子晶体中混合阶拓扑物态的研究进展

近日，物理与光电工程学院张欣教授课题组在物理学top期刊《Physical Review B》发表最新理论研究成果

“Observation of acoustic hybrid-order topological insulator induced by non-Hermiticity and anisotropy”。本论文由2021级硕士研究生孙玮英在张欣和罗丽两位老师共同指导下完成。

近年来，新奇拓扑物态的研究在厄米和非厄米系统经典波系统中都得到了广泛的关注，并取得了显著进展。相关的研究表明，在电子系统中，由于费米能级填充的问题，通常只关注某一个带隙，从而使得不同阶拓扑的共存难以实现。基于经典波系统不存在费米能级的限制，两种不同阶拓扑的共存有望在经典波系统中实现。近期一项研究设计了二维双层Kagome声子晶体，在厄米系统中实现了一阶和高阶拓扑态共存的混合阶拓扑绝缘体。然而，考虑到在实际物理系统中，与外界环境的能量交换是不可避免的，因此增益或耗散现象普遍存在的，因此这些系统又是具有非厄米性的。

随着厄米到非厄米系统的探索延伸，研究者们在非厄米系统的中做了大量的研究，目前在非厄米系统中关于对拓扑物态的研究还存在以下的问题待进一步解决探索：1. 在之前非厄米系中都是对单一的一阶或者高阶拓扑相进行理论和实验的研究，因此，能否在一个非厄米系统中同时实现两种不同阶拓扑相，且其纯粹是因为非厄米性引起的，而不依赖于厄米性的产生。 2. 在传统的非厄米系统中，增益-耗散会使得能带关闭，因此非厄米增益-耗散被认为会破坏系统中拓扑相的存在，然而最近的一些研究研究发现非厄米增益和/或耗散能够有效诱导出低阶或高阶拓扑相。那么，能否通过非厄米增益和/或耗散诱导出所关注的混合阶拓扑相。

在本研究中，如图1所示，作者通过引入不均匀的非厄米耗散，使得格点间形成有效的耦合二聚，从而构建等效的二维非厄米SSH模型。并使用人工声学耦合腔来实现该模型。基于数值模拟和有限元仿真，在同一系统中间带隙和其他带隙内分别捕获高阶拓扑态和一阶拓扑态，并证实其拓扑性质。

图1 等效的二维非厄米SSH模型

在理论的基础上，作者也对这些拓扑态的拓扑性质进行了实验验证。作者在一个有限结构样品中，通过激励-响应的实验测量捕捉系统带隙内的一维边界态和零维角态。实验结果与理论吻合，进一步证明这种不均匀的非厄米耗散能够有效诱导出混合阶拓扑绝缘体。这项工作不仅从多自由度出发探索了材料中的拓扑性质，且由非厄米诱导的混合阶拓扑绝缘体可以同时承载位置可调控的边界态和角态，这进一步有助于传感和导波双功能器件的实际应用。

图2 实验验证混合阶拓扑态的拓扑性质

以上研究工作得到了国家自然科学基金的支持。近年来，张欣教授课题组在声学拓扑绝缘体和半金属，声学拓扑彩虹，非厄米声学，拓扑电路方面取得系列成果。声子晶体为探索类量子效应提供了重要平台。

论文链接： DOI: 10.1103/PhysRevB.109.134302