[論文レビュー] Vortex higher-order Fermi arc induced by topological lattice defects

Qiang Wang, Yong Ge+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、運動量空間におけるバルクバンドトポロジーと実空間における格子欠陥の相互作用によって誘導される、へずみに局在化した高次フェルミ弧状態—つまり、三次元音響的ウェイル系が、高次フェルミ弧状態を有する。その結果生じる波ガイドは、一方向性で、軌道角運動量とロックされた音響モードを支持し、渦状ビームを放射する。これは、統合音響工学に応用可能な可能性を有する、新たなトポロジカル波ガイドメカニズムを示している。

ABSTRACT

Three dimensional Weyl semimetals have topological Fermi arc states on their external surfaces, and recent theories have introduced higher-order Weyl semimetals with one dimensional hinge states, two dimensions lower than the bulk. We design and implement a three dimensional acoustic Weyl structure hosting higher-order Fermi arcs, which are induced by a distinct mechanism based on the interplay between the topological properties of the bulk bandstructure, in momentum space, and a topological lattice defect in real space. The resulting topological waveguide modes carry nonzero orbital angular momentum, locked to their direction of propagation. We use acoustic experiments to probe the properties of the higher-order Fermi arc modes, including their dispersion relation, orbital angular momentum locked waveguiding, and emission of acoustic vortices into free space. These results point to new application possibilities for higher order topological modes.

研究の動機と目的

• 従来の表面フェルミ弧を超えて、三次元音響系における高次トポロジカルモードの出現を探索すること。
• 実空間における格子欠陥が運動量空間におけるバンドトポロジーとどのように結合し、へずみに局在化したモードを生成するかを調査すること。
• 実験的に、これらのモードが整数化された軌道角運動量を有しており、音響渦を放射することを示すこと。
• 音の伝搬と放射をより高精度に制御可能な、トポロジカル波ガイドの新たな設計原理を確立すること。

提案手法

• 逆格子対称性を破るために、設計された格子欠陥を有する三次元音響的ウェイル構造を設計し、トポロジカルへずみモードを誘発する。
• 運動量空間にウェイル点を有するようにバルクバンド構造を設計し、トポロジカル表面状態を生成する。
• 実空間に、欠陥に類似た格子欠陥を導入し、バルクトポロジーと結合させて、系のへずみにモードを局在化させる。
• 数値シミュレーションを用いて、得られた端状態の分散関係および軌道角運動量を予測する。
• 全スケールの音響実験を実施し、モードの分散関係、波-front構造、および遠方放射の測定を行う。
• 放射パターンを特徴づけ、位相特異点を有する明確な音響渦の形成を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元音響的ウェイル系におけるトポロジカル格子欠陥は、表面ではなくへずみに高次フェルミ弧状態を誘発できるか？
• RQ2 これらのトポロジカル波ガイドモードにおいて、軌道角運動量はどのように伝搬方向にロックされるか？
• RQ3 へずみモードの分散関係は何か？ そして、従来のフェルミ弧とはどのように異なるか？
• RQ4 これらのモードは自由空間にコherentな音響渦を放射できるか？ その遠方放射パターンの性質は何か？
• RQ5 運動量空間におけるトポロジーと実空間における格子欠陥の相互作用は、どのようにこれらのモードの出現を支配するか？

主な発見

• 系は、不純物に対して頑健で、一方向性伝搬を示すへずみに局在化したトポロジカルモードを示す。
• 実験による位相測定により、モードが整数化された軌道角運動量を有しており、その伝搬方向にロックされていることが確認された。
• へずみモードの分散関係は波数に対して線形的であり、有効1次元系におけるウェイル的分散の特徴を示している。
• 自由空間に、明確な位相特異点を有する音響渦が放射され、整数化された軌道角運動量の存在が確認された。
• 実験的観測結果は理論的予測と一致しており、格子欠陥が高次トポロジカル状態の実現に果たす役割が裏付けられた。