[論文レビュー] Observation of second-order topological insulators in sonic crystals

Xiujuan Zhang, Hai‐Xiao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用数 115

ひとこと要約

本論文は、2Dソニッククリスタルにおける音響的二次トポロジカル絶縁体を予測し、実験的に実証しており、ギャップを持つエッジ状態とギャップ内のコーナー状態を示し、メタアトムの角度によって調整可能である。

ABSTRACT

Topological insulators with unique gapless edge states have revolutionized the understanding of electronic properties in solid materials. These gapless edge states are dictated by the topological invariants associated with the quantization of generalized Berry phases of the bulk energy bands through the bulk-edge correspondence, a paradigm that can also be extended to acoustic and photonic systems. Recently, high-order topological insulators (HOTIs) are proposed and observed, where the bulk topological invariants result in gapped edge states and in-gap corner or hinge states, going beyond the conventional bulk-edge correspondence. However, the existing studies on HOTIs are restricted to tight-binding models which cannot describe the energy bands of conventional sonic/photonic crystals that are due to multiple Bragg scatterings. Here, we report theoretical prediction and experimental observation of acoustic second-order topological insulators (SOTI) in two-dimensional (2D) sonic crystals (SCs) beyond the tight-binding picture. We observe gapped edge states and degenerate in-gap corner states which manifest bulk-edge correspondence in a hierarchy of dimensions. Moreover, topological transitions in both the bulk and edge states can be realized by tuning the angle of the meta-atoms in each unit-cell, leading to various conversion among bulk, edge and corner states. The emergent properties of the acoustic SOTIs open up a new route for topological designs of robust localized acoustic modes as well as topological transfer of acoustic energy between 2D, 1D and 0D modes.

研究の動機と目的

• 音響系においてタイトバインディングの限界を超える二次トポロジカル絶縁体（SOTIs）を動機づけ、実現する。
• バルク-エッジ-コーナー階層を示す、ギャップを持つエッジ状態とギャップ内コーナー状態をホストする2Dソニッククリスタルを実証する。
• 単位セルのメタ-アトムの角度を調整することで、バルク、エッジ、コーナー状態に影響を及ぼすトポロジー転移を誘導できることを示す。
• 2D、1D、0Dモード間で音響エネルギーを転送する堅牢性と可能性を探る。

提案手法

• タイトバインディング像を超える2DソニッククリスタルにおけるSOTI相を理論的に予測する。
• 提案された2Dソニッククリスタルを実験的に実現し、エッジ状態とコーナー状態のスペクトルを測定する。
• 各単位胞内のメタ-アトムの角度を調整パラメータとして使用し、バルクおよびエッジ状態の転移を誘導する。
• ギャップを持つエッジ状態とギャップ内で退化したコーナー状態を、バルク-エッジ-コーナー対応の指標として同定する。
• 幾何パラメータを変化させて、バルク、エッジ、コーナー状態間の転換を可能にすることでトポロジー転移を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2Dソニッククリスタルは、タイトバインディングモデルを超える二次トポロジカル絶縁体相をホストできるか。
• RQ2 バルク・エッジ・コーナー状態は、音響系で予測されたギャップを持つエッジ状態とギャップ内コーナー状態を示すか。
• RQ3 メタ-アトム角度を調整して、バルク・エッジ・コーナー状態の性質を再構成するトポロジー転移を導くことができるか。
• RQ4 このプラットフォームで頑健な局在音響モードを実現し、2D/1D/0Dモード間のエネルギーの制御された転送を実現できるか。

主な発見

• 2Dソニッククリスタルにおけるギャップを持つエッジ状態の観測。
• ギャップ内で退化したコーナー状態の観測。
• 実験的実現は、タイトバインディングを超える理論予測と一致する。
• 単位胞のメタ-アトム角度を調整することでトポロジー転移が達成可能。
• バルク–エッジ–コーナー階層を実証し、頑健な局在音響モードと2D/1D/0D間のエネルギー転送を可能にしている。