武汉大学科研进展:拓扑声学领域连续发表两项成果……

作者:清北知网查重系统     发表时间:2020-05-19 11:47:41   浏览次数:28


  1、刘正猷、邱春印、柯满竹团队在拓扑声学领域连续发表两项成果

  物理科学与技术学院刘正猷、邱春印、柯满竹研究队在拓扑声学领域陆续发表两项研究成果。一篇题为“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”(《二次型Weyl点和双螺旋费米弧的实验观测》)的论文,发表于(Nature Communications《自然•通讯》)上,另一篇题目为“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”(《对称性保证的三维狄拉克声子晶体》)的论文,发表于Light: Science & Applications(《光:科学与应用》)上。

  论文“Observation of quadratic Weyl points and double-helicoid arcs”第一署名单位为武汉大学,何海龙博士后为第一作者,邱春印教授、刘正猷教授为论文共同通讯作者。这项工作的合作者还包括武汉大学博士生蔡祥曦,武汉大学肖孟教授、柯满竹教授,以及美国UT Dallas大学张帆教授。这两项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。

  近年来,人们对拓扑半金属进行了大量研究。其中典型的例子是狄拉克半金属和外尔半金属(分别以三维布里渊区中孤立的四重和二重线性简并为特征),它们是高能物理的类比物。最近,超越以上高能类比的“非常规准粒子”在凝聚态物理和材料科学领域引起了极大关注。

  基于三维手性声子晶体,这项研究实验报道了二次型外尔点及其相应的双螺旋拓扑表面态。区别于现有的“非常规准粒子”,如三重或四重线性简并的自旋-1外尔点和荷-2狄拉克点,这里的二次型外尔点是二重简并点,在其附近沿两个方向是抛物型、第三个方向是线性(见图1)。除以上反常的体色散特征外,还实验揭示了奇异的双螺旋拓扑表面态,它从二次型外尔点出发,终止于两个常规的线性外尔点,进一步为这种非常规的拓扑节点提供了确凿的实验证据(见图2)。

图1:(a)声子晶体中四个不同外尔点的局部放大图,其中Γ点和A点的二重简并点为二次型外尔点,其它为常规外尔点。(b-d)相应的实验证明。

图2:双螺旋拓扑表面态的实验验证。

  论文“Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals”的唯一署名单位为武汉大学,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、刘正猷教授为共同通讯作者。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。

  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3)。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4)。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5),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3: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4:实验表征狄拉克点

图5:实验观测四螺旋拓扑表面态

  2、汪成课题组三维共价有机框架研究取得新进展

  近期,国际权威期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)发表化学与分子科学学院汪成教授课题组的最新研究成果,该研究提供了一种简单而普适的方法来拓展构筑三维共价有机框架(3D COFs)的四面体节点。

  论文题为《将单体从平面扭转至四面体合成共价有机框架》(“Twist Building Blocks from Planar to Tetrahedral for the Synthesis of Covalent Organic Frameworks”)。博士研究生高超(武汉大学)和黎建博士(北京大学)为论文共同第一作者,汪成与北京大学孙俊良研究员为共同通讯作者。

  共价有机框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)是一类新兴的晶态有机多孔材料,在众多领域展现出广阔的应用前景。当前COFs的研究主要集中在二维体系,三维(3D)COFs的报道仍然很少。究其原因,主要是3D COFs的合成难度大、结构表征困难、构筑基元特别是立体构筑基元非常有限等。从立体几何角度来看,3D COFs的构建通常需要一个可向三维空间延伸的立体构筑单元。然而,现有的四面体节点种类很匮乏(主要为四苯基甲烷或金刚烷的衍生物),严重限制了3D COFs的发展。

  前期研究中,汪成课题组提出了“4+4”连接方式来构筑三维COFs的拓扑设计新策略。本文中,他们通过增加空间位阻将平面型分子扭转成四面体的策略,采用“4+4”连接方式,利用取代基不同的联苯基前体合成了具有不同维度的两种COFs(2D-BPTA-COF和3D-BMTA-COF)。由结构解析得知,2D-BPTA-COF为层状堆积结构,联苯的二面角为~ 0˚;当在联苯邻位引入位阻较大的甲基后,其二面角变为~ 60˚,3D-BMTA-COF具有为五重互锁pts结构。此结构表明,通过增加位阻可将前体分子从平面型扭转成四面体构型,进而构筑3D COFs,为后续丰富三维COFs的结构多样性提供了一种新思路。

  3、肖孟、邱春印、刘正猷带拓扑荷节面半金属研究取得进展

  近期,Science Advances(《科学进展》)发表了题为“Experimental demonstration of acoustic semimetal with topologically charged nodal surface ”(《带拓扑荷节面声学半金属的实验演示》)的研究论文,介绍了一种新的拓扑物态——带拓扑荷节面半金属,并提供了刻画该新物态的有效紧束缚哈密顿量。

  署名单位为斯坦福大学和武汉大学,肖孟教授和叶莉萍博士后为第一作者,邱春印教授、刘正猷教授和范汕洄教授为论文的共同通讯作者。这项工作的合作者还包括武汉大学的博士后何海龙。该研究受国家自然科学基金委重大项目等基金资助。

  近年来,新拓扑非平凡态的研究在凝聚态物理、光学和声学等领域备受关注,并且成果显著,如二维量子自旋霍尔效应和拓扑无能隙半金属,以及三维Weyl半金属、Dirac半金属、节线半金属和节面半金属等。Wely点处拓扑荷的存在使得能带的简并变的稳定,并产生了一系列有趣的现象。然而,已知的节线、节面半金属没有携带陈数拓扑荷,人们还不清楚拓扑荷是否存在于更高的维度。探索高维带拓扑荷能带简并不仅丰富了拓扑半金属族,而且可以使得拓扑电荷的控制更加灵活,从而改变手征异常和负磁阻等相关现象的表现形式。

  这项实验研究报道了一种新的拓扑物态——带拓扑荷节面半金属,并提供了刻画该新物态的有效紧束缚哈密顿量。同时,研究人员构造了三维的声子晶体(见图1),通过实验探测拓扑表面态揭示了带拓扑荷节面的存在(见图2)。此外,肖孟的另外一个工作中也指出了带拓扑荷节线半金属的存在以及大量与拓扑荷相关的新现象(PRB 99, 094206 (2019)),为拓扑材料设计提供了新的机遇。

图1:带拓扑荷节面的3维声子晶体

图2:拓扑表面态的实验探测

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