段文暉&徐勇Natl.Sci.Rev.展望：聲子的Berry相位與拓撲效應

【引言】

聲子是晶格振動的元激發，是固體中熱輸運的主要載體。許多重要的實際應用與器件（如集成電路的散熱、熱障涂層、熱電效應、熱二極管、熱三極管等）都需要有效地控制聲子輸運，與之相關的研究構成了現代物理學的一大分支——聲子學。另一方面，新型拓撲量子物態的發現，如量子霍爾效應、量子反常霍爾效應、量子自旋霍爾效應、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等，從根本上改變了人們對電子態的認識，并對電子學、自旋電子學、拓撲量子計算等領域產生了革命性的影響。最新的研究工作將拓撲的物理概念引入聲子學，利用Berry相位、拓撲等新奇的量子自由度，實現全新的聲子操控，因此誕生了一個新興的研究領域——拓撲聲子學。

【成果簡介】

國家科學評論（National Science Review），最近發表了清華大學物理系徐勇助理教授、段文暉教授課題組共同撰寫的題為“Berry Phase and Topological Effects of Phonons”的觀點文章（National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx086）。這篇文章從基礎理論到潛在應用，概括了聲子的Berry相和拓撲效應的最新研究進展。通過引入聲子的類薛定諤方程，許多拓撲的物理概念能從電子直接推廣到聲子。然而，聲子體系與電子體系有著本質的區別：聲子滿足玻色-愛因斯坦統計分布，不同頻率的拓撲能隙因此都能被物理觀測。該文章還討論了對稱性與聲子拓撲的相互作用。以二維蜂窩狀晶格為例，時間反演對稱破缺會產生具有非零拓撲陳數的聲子態，即聲子的類量子霍爾態，具有單向導通的不受散射的聲子邊界模式；空間反演對稱破缺會產生具有非零Berry相的谷，可用作調控聲子輸運的新型量子自由度，即谷聲子學；兩種對稱性破缺機制相互競爭，能導致拓撲相變并演生出豐富的聲子拓撲量子態。

除此之外，該文章還展望了拓撲聲子學在未來聲子器件方面的潛在應用，包括低耗散的聲子輸運通道、高效率的聲子二極管和谷聲子學器件等。拓撲聲子學給未來聲子學基礎研究和器件應用帶來了概念性的創新，有望產生重要突破。

【圖文導讀】

圖1 二維蜂窩狀晶格中聲子的Berry曲率和拓撲量子態

（a）由A / B亞晶格和K / K'谷附近的狄拉克錐體組成的蜂窩狀晶格

（b,c）具有破壞（b）空間反演對稱P和（c）時間反演對稱T的聲子Berry曲率分布（上）以及堆積帶示意圖與拓撲邊界狀態（下）。主要位于A（B）亞晶格的聲子態用紅色（藍色）標記。

（d）同時破壞P和T引起的兩個兩個非退化性的谷

【小結】

作為一個展望，還有許多有趣的研究課題正在等待被探索：

（i）找到有效的方法來破壞實體中聲子的TRS。

（ii）探索通過對稱性保護的拓撲聲子狀態，如空間群對稱，并起無需破壞TRS。

（iii）探索3D晶格中的狄拉克或威爾聲子。

（iv）在實體材料中實現聲子的Berry相和拓撲效應。

文獻鏈接：Berry Phase and Topological Effects of Phonons（Natl.Sci.Rev.,2017,10.1093/nsr/nwx086）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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