[논문 리뷰] Observation of second-order topological insulators in sonic crystals

Xiujuan Zhang, Hai‐Xiao Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 26.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 47인용 수 115

한 줄 요약

이 논문은 2D 음향 결정에서 음향 이차 위상 반도체(SOTI)를 예측하고 실험적으로 입증하여 갭이 있는 에지 상태와 갭 내 코너 상태를 보여주며, 메타-원자 각도에 의해 조정 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 타이트 바인딩 한계를 넘어 음향 시스템에서 이차 위상 절연체(SOTIs)를 동기 부여하고 실현한다.
• 에 갭이 있는 에지 상태와 갭 내 코너 상태를 갖는 2D 음향 결정(소닉 크리스탈)을 시연하여 벌크-에지-코너의 계층 구조를 보여준다.
• 단위 셀의 메타-원자 각도를 조정하면 벌크, 에지, 코너 상태에 영향을 주는 위상 전이로 이어질 수 있음을 보인다.
• 2D/1D/0D 모드 간에 음향 에너지를 전이시키는 가능성과 강건성을 탐구한다.

제안 방법

• 타이트 바운딩 그림을 넘어 2D 음향 결정에서 SOTI 위상을 이론적으로 예측한다.
• 제안된 2D 음향 결정을 실험적으로 구현하고 에지 및 코너 상태 스펙트럼을 측정한다.
• 각 단위 셀 내 메타-원자의 각을 조정 매개변수로 사용하여 벌크 및 에지 상태 전이를 유도한다.
• 갭이 있는 에지 상태와 갭 내 축퇴 코너 상태를 벌크-에지-코너 대응의 지표로 식별한다.
• 기하학적 매개변수를 변화시켜 벌크, 에지, 코너 상태 간의 전환을 가능하게 하여 위상 전이를 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 음향 결정이 타이트 바인딩 모델을 넘어 이차 위상 절연체 위상을 가질 수 있는가?
• RQ2 벌크, 에지, 코너 상태가 음향 시스템에서 예측된 갭이 있는 에지 상태와 갭 내 코너 상태를 보이는가?
• RQ3 메타-원자 각도 조정이 벌크, 에지, 코너 상태의 특성을 재구성하는 위상 전이를 이끌 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼에서 2D/1D/0D 모드 간 강건한 국부화 음향 모드를 실현하고 에너지 전이를 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 2D 음향 결정에서 갭이 있는 에지 상태의 관찰.
• 갭 내 축퇴 코너 상태의 관찰.
• 실험적 구현이 이론적 예측과 타이트 바인딩을 넘어서는 일치를 보임.
• 단위 셀 메타-원자 각을 조정하면 위상 전이가 달성될 수 있음.
• 벌크–에지–코너 계층 구조를 시연하여 2D/1D/0D 차원 간 강건한 국부화 음향 모드와 에너지 전달을 가능하게 함.