三维声子晶体中声波的谷拓扑效应研究

Motivated by the band topology in condensed matter physics, the topological properties of classical waves in artificial periodic structures have been developing rapidly. Among them, the topological valley transport in the two-dimensional phononic crystal has attracted a lot of attention, due to the simple and flexible design. In this project, we will study the topological valley transport in the three-dimensional phononic crystal, including the properties of the three-dimensional valley states, the topological valley surface states, and the topological phase diagram induced by the complex unit cell. To realize the topological valley surface states, we will construct the tight-binding model to guide the numerical simulations of the three-dimensional phononic crystal. This research project will not only rich our understanding of the topological valley physics in classic wave systems, but also provide a way to experimentally realize the valley-dependent three-dimensional topological insulator in phononic crystals.

凝聚态物理的拓扑能带理论极大地激励了人们研究经典波在人工周期结构中的拓扑效应。其中，二维声子晶体中的谷拓扑效应因体系简单、可调性强等特点引起了大量关注。本项目旨在进一步研究三维声子晶体中声波的谷拓扑效应，包括考察三维声子晶体中谷态的基本性质，研究三维声学谷拓扑表面态的传输行为，以及复杂单胞对谷拓扑相的影响。申请人将构建声学紧束缚模型，指导真实三维声子晶体的数值模拟，实现三维声学谷拓扑表面态。这些研究不仅丰富了我们对于经典波体系中谷拓扑物理的认识，也为实验实现声学谷依赖的三维拓扑绝缘体提供了可能方案。

近年来，声学拓扑态的研究在拓扑物理方向引起了广泛关注。对于有能隙的拓扑相，传统的d维拓扑绝缘体具有(d-1)维无能隙的边界态。例如二维的量子自旋霍尔绝缘体和能谷绝缘体，具有一维的螺旋性边缘态。能谷绝缘体中的谷自由度可类比成自旋自由度，不同谷拓扑特性的材料界面会出现谷依赖的边缘传输。对于无能隙的拓扑相，三维动量空间中导带和价带间存在拓扑非平庸的零维节点接触或一维节线接触，引出了拓扑半金属的概念。典型的节点拓扑半金属包括Dirac半金属和Weyl半金属。节线拓扑半金属则是指其能带结构中能带相交于一条线，具有多种不同的节线构型，如：环状线接触、链状线接触和嵌套的环状线接触。相对电子体系而言，声学体系的空间对称性更容易调控，而其宏观特性也便于实验检测，从而提供了一个理想的平台来探究和理解拓扑物理，同时，声学体系拓扑态的研究存在诸多空白与不足。. 本项目主要研究内容包括：(a) 在三维声子晶体中实现拓扑节线半金属态；(b) 在单层和双层四方晶格的声子晶体中实现能谷绝缘体，观测到谷界面态的拓扑负折射输运和反常分流输运；(c) 构造声学赝自旋-轨道耦合作用，实现由其诱导的声自旋陈绝缘体，并进一步实现不同能隙具有不同阶拓扑性质的混合阶拓扑绝缘体；(d) 在三维声子晶体中实现理想二类Weyl点，实现Weyl半金属到三维谷拓扑绝缘体的相变，并进一步实验观测了二维能谷界面态的反常分流输运。. 在本项目的资助下，项目负责人共发表SCI学术论文17篇，其中以第一/通讯作者（含共同）发表论文10篇，分别是2篇Nature Communications, 2篇Physical Review Letters, 3篇Physical Review Applied, 2篇Physical Review B和1篇Sci. China-Phys. Mech. Astron.。项目负责人于2021年1月参加第二届全国智能超声青年学者论坛，并做学术邀请报告。