Science?Advances：鈣鈦礦氧化物中預言光對拓撲聲子的調制

摘要：

鈣鈦礦氧化物ABO₃種類繁多、結構豐富，擁有多樣的物理性質，可以實現鐵電、多鐵、超導、壓電等特性，涉及到固體物理的眾多領域。然而，由于其電子結構帶隙較大，不利于能帶反轉從而在電子結構中實現拓撲性質，因此鈣鈦礦氧化物的拓撲相從來沒有被報道過。尋找鈣鈦礦中的拓撲聲子，不僅可以探索這個傳統材料中新的物理性質，還能探索拓撲相和其他相（超導相、鐵電相、多鐵相等）之間的耦合，從而拓展鈣鈦礦的研究和應用前景。拓撲聲子在不同晶格結構、不同化學組分的鈣鈦礦氧化物中廣泛存在，并且可以通過改變光照、應變、溫度和壓強等手段可以調控鈣鈦礦的拓撲性質，甚至可以在不發生結構相變的情況下實現拓撲相變，精確控制外爾點（Weyl?point）的產生和湮滅，以及節點線(nodal?line)和節點環(nodal?ring)之間的轉換，讓古老的鈣鈦礦成為調控拓撲性質的嶄新平臺。鈣鈦礦氧化物中拓撲聲子的發現不僅可以為相關材料中的超導、熱霍爾效應等輸運性質的理解提供新的研究平臺，也有可能實現可控拓撲量子態等新應用提供了材料平臺。

引言

最近，劍橋大學卡文迪許實驗室Bartomeu Monserrat博士課題組與東京工業大學物理系村上修一課題組合作，采用第一性原理計算，并結合群論分析和對稱性指標理論，發現氧化鈣鈦礦中的拓撲聲子無處不在，并且可以通過改變光致載流子濃度調控這些拓撲量子態。該研究發現，BaTiO₃、SrTiO₃和PbTiO₃等氧化鈣鈦可以在四方相、正交相和菱方相等不同晶體結構中實現外爾點、節點線和節點環等多種拓撲聲子態，而且這些拓撲態的產生、湮滅和相互轉換可以被應變和溫度等外界環境調節。此外，該研究提出了一種調控拓撲量子態的新方法——光照。光照可以改變電子態，進而影響電子和晶格之間的相互作用，改變晶格振動模式，從而調控聲子譜中的拓撲相變。相關工作于北京時間2020年11月11日以“Topological phonons in oxide perovskites controlled by light”為題，發表在Science Advances上，劍橋大學卡文迪許實驗室博士生彭博為該論文第一作者，東京工業大學張田田特聘助理教授和劍橋大學Bartomeu?Monserrat博士為該論文通訊作者。

圖文導讀

眾所周知，鈣鈦礦氧化物ABO₃在高溫下具有立方結構，可以通過改變溫度實現結構相變。以BaTiO₃為例，立方相BaTiO₃在低于393 K時發生結構相變成為四方相，如圖1?(a)所示。隨著溫度進一步降低，四方相BaTiO₃變成正交相（183-278 K），最終再變成菱方相（<?183 K）。由于溫度相變的影響，四方相BaTiO₃的聲子譜在簡諧近似下具有虛頻，只有考慮溫度效應的影響加入非諧效應，才能得到穩定的聲子譜，如圖1?(b)所示。除溫度外，光照同樣可以引發結構相變。圖1 (c)表明改變光生載流子濃度可以影響電子和晶格的相互作用，改變晶格勢能面，從而穩定圖1 (d)的聲子譜。

圖1. 氧化鈣鈦礦BaTiO₃的晶格結構和聲子譜。(a) 高溫相和室溫相的BaTiO₃；(b) 四方相BaTiO₃在簡諧近似和300 K下的聲子譜；(c) 光照改變四方相BaTiO₃的晶格振動勢能面；(d) 光生載流子濃度0.06 e/f.u.時的聲子譜；(e) 布里淵區中的拓撲聲子，包括節點線、節點環、外爾點和三重簡并外爾點。

相比于溫度，光照可以產生大量自由載流子，屏蔽長程庫侖相互作用，從而抑制鈣鈦礦里的縱光學聲子和橫光學聲子之間的劈裂（LO-TO劈裂）。LO-TO劈裂會破壞布里淵區中心附近聲子譜的簡并，不利于聲子拓撲態的產生。由于光照可以抑制LO-TO劈裂，光照下的聲子譜比300 K的聲子譜擁有更多種拓撲量子態。如圖1 (d)和(e)所示，在光生載流子濃度0.06 e/f.u.（電子/分子式）時，可以從聲子譜中找到節點線、節點環、外爾點和三重簡并外爾點。其中，節點線和節點環受到晶格對稱性的保護，而外爾點則被拓撲保護。隨著載流子濃度的變化，聲子譜也會發生改變，從而調控這些拓撲量子態的產生、湮滅和相互轉換。以外爾點為例（圖2），在濃度0.05?e/f.u.時會產生4對外爾點，在0.0695 e/f.u.時產生另外4對新的外爾點，隨著載流子濃度進一步增大，這兩組8對手性相反的外爾點會分別互相靠近直至相遇而湮滅。

圖2. 四方相BaTiO₃的光控外爾聲子。(a) 利用對稱性指標理論分析外爾點；(b) 改變光生載流子濃度控制外爾點的產生和湮滅；(c) 外爾聲子的拓撲表面態。

不同種類的拓撲聲子可以在不同組分、不同晶體結構的鈣鈦礦氧化物中共存，并且可以被光照、溫度和應變等外界環境調控。除了四方相外，正交相和菱方相BaTiO₃也可以實現光控拓撲聲子。此外，施加應變同樣可以改變拓撲量子態。相同的結論同樣適用于不同組分的SrTiO₃和PbTiO₃。如圖3所示，在四方相PbTiO₃中，可以實現形貌不同于BaTiO₃的節點線、節點環和外爾聲子。

圖3. 四方相PbTiO₃的拓撲聲子。(a) 光生載流子濃度0.025?e/f.u.時的聲子譜；(b) 布里淵區中的拓撲聲子；(c)?外爾聲子的拓撲表面態。

總結和展望

該項工作采用第一性原理計算，發現了氧化鈣鈦礦中普遍存在拓撲聲子，提出了調控拓撲量子態的新方法。為實驗觀測和調控氧化鈣鈦礦中的拓撲聲子提供了理論計算基礎。與此同時，由于鈣鈦礦本身具有很多獨特的物理性質，有拓撲聲子的加入，也許可以產生新的物理現象。另外，拓撲聲子還可以為鈣鈦礦氧化物中的超導、熱霍爾效應等提供新的理解視角。此外，拓撲聲子本身有可能具有很多獨特的性質，比如產生贗規范場、負折射、非線性響應和單向輸運等性質，我們預期通過光控拓撲聲子，可以精確控制這些性質，從而有可能實現光控神經網絡計算等應用。

論文鏈接：

Bo Peng, Yuchen Hu, Shuichi Murakami, Tiantian Zhang*, Bartomeu Monserrat*, Topological phonons in oxide perovskites controlled by light. Science Advances 6 (46), eabd1618 (2020).

本文由作者供稿。