近日，Physical Review Letters（《物理评论快报》）在线发表了物理科学与技术学院刘正猷教授课题组关于拓扑声子晶体研究的新进展。
论文题目为“Observation of Higher-order Nodal-Line Semimetal in Phononic Crystals”（《声子晶体高阶节线半金属的实验观测》）。该论文被PRL选为Featured in Physics和Editors’ Suggestion。武汉大学为第一署名单位，博士生马奇云为论文第一作者，武汉大学何海龙特聘研究员、邓伟胤教授、刘正猷教授为论文的共同通讯作者，武汉大学浦臻航博士后、叶莉萍特聘副研究员、陆久阳教授、柯满竹教授，华南理工大学黄学勤教授为论文共同作者。
拓扑半金属是其动量空间具有拓扑非平庸的能带简并的一类拓扑相。根据简并的几何维度，半金属可分为若干类型：具有点状简并的节点半金属（如Weyl和Dirac半金属），具有线状简并的节线半金属，以及具有面状简并的节面半金属等。其中节线半金属的能带简并线具有丰富的形态，如环状、链状、结状和网状等。节线通常支持一个非平凡的Zak相位，导致具有鼓膜状色散的拓扑表面态。近年来，高阶节线半金属理论上也被提出，其特征是在三维样品中出现一维的棱态。但是高阶节线半金属的实验发现尚未被报道。
由于易于制备以及其中波动状态易于观测，声子晶体在拓扑物理研究中具有独特的优势。本工作先从理论上设计，再利用3D打印技术，成功制备了三维声子晶体高阶节线半金属（图一a、b）。在样品z方向的棱上发现了受体四极矩保护的无色散的声波棱态，这是高阶拓扑的标志。同时，在x-y表面上观察到受非平凡Zak相保护的声波鼓膜表面态。三维动量空间中的节线简并（图一d）、二维表面上的鼓膜表面态（图一e）和一维棱上无色散棱态（图二）都被实验证实。声学高阶节线半金属的发现将促进其他体系，如弹性波、光波或电磁波、冷原子等体系高阶节线半金属的实现。这种高阶拓扑棱态在声传感和声信息等领域具有潜在的应用。
这项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066601
图一：（a）高阶节线半金属的模型；（b）用于测量二维投影体带结构和鼓膜表面态的声子晶体样品；（c）声子晶体的体带结构；（d）测量和仿真的二维投影体带结构对比；（e）测量和仿真的鼓膜表面态对比。
图二：（a）用于测量一维棱态的声子晶体样品；（b）6.10 kHz频率时x-y-kz空间声波场分布；（c）测量和仿真的一维棱态；（d）测量和仿真的一维投影体带结构。
