近日，Light: Science & Applications在线发表了物理科学与技术学院刘正猷、邱春印、柯满竹研究团队的最新研究成果。论文题目为Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals（《对称性保证的三维狄拉克声子晶体》）。
武汉大学为论文唯一署名单位，物理科学与技术学院博士生蔡祥曦为第一作者，叶莉萍博士后、刘正猷教授为通讯作者。这项工作的合作者还包括邱春印教授、肖孟教授、余睿教授，以及柯满竹教授。该研究受国家重点研发项目、国家自然科学基金委重大项目等基金资助。
发现新的拓扑物态已成为基础物理学和材料科学的一个重要目标。作为最具代表性的拓扑物态之一，三维狄拉克半金属（DSM）是探索拓扑相变和其他新颖拓扑量子态的绝佳平台。它可以容纳许多奇特的传输特性，如反常磁阻和超高迁移率。目前，研究者们发现DSM相可偶然出现于正常绝缘体和拓扑绝缘体的转变处。要达到这样的临界点，需要对材料的化学组分进行微调，这一点在实验上很难实现。三维DSM也可以在不微调材料组分的情况下出现，主要分为两大类。第一类是基于能带反转机制，已在Na3Bi 和Cd3As2中实现。在这类体系中，狄拉克点始终成对出现在动量空间的旋转轴上；在维持晶体对称性不变的情况下，可以通过连续调节参数将它们成对湮灭。第二类DSM中的狄拉克点稳定地钉扎在布里渊区的离散高对称点上。显著区别于第一类体系，这类狄拉克点受非点式空间群保证，在维持晶体对称性的情形下无法消除。尽管人们已经提出一些固态候选材料，由于材料合成的巨大挑战，这类对称性保证的狄拉克晶体尚未实验实现。最近，人们利用经典波体系（如声子晶体）实现了许多不同的拓扑物态；这类结构参数可控的宏观体系也为探索全新的拓扑物理提供了机遇。
在这项工作中，研究人员构造并实现了对称性保证的三维狄拉克声子晶体（见图1）。通过声学实验测量角分辨透射谱，实验表征了体系的狄拉克点（见图2）。此外，实验测量的表面声场及其相关的傅里叶谱揭示了无能隙的四螺旋表面态（见图3），这和以往在电子体系中观察到的双费米弧表面态显著不同。以此晶体结构为出发点，可通过降低晶体对称性的方式，设计各种有趣的三维声学拓扑态。值得指出，这里狄拉克点周围的色散呈各向同性。因此，该宏观系统可为研究对相对论物理提供新的机遇，并为声学应用领域提供独特的平台。
图1. 声子晶体中对称性保证的狄拉克点以及四螺旋拓扑表面态
图2. 实验表征狄拉克点
图3. 实验观测四螺旋拓扑表面态
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0273-4
