[论文解读] Observation of dislocation-induced topological modes in a three-dimensional acoustic topological insulator

Xue, Haoran, Jia, Ding+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 63

一句话总结

本研究通过在具有工程化螺旋位错的堆叠二维声学拓扑绝缘体中，实验展示了位错诱导的拓扑螺旋模式，证实了在经典三维拓扑系统中体-位错对应关系。直接自旋分辨场映射与数值模拟共同验证了位错处存在稳健的一维螺旋模式。

ABSTRACT

The interplay between real-space topological lattice defects and the reciprocal-space topology of energy bands can give rise to novel phenomena, such as one-dimensional topological modes bound to screw dislocations in three-dimensional topological insulators. We obtain direct experimental observations of dislocation-induced helical modes in an acoustic analog of a weak three-dimensional topological insulator. The spatial distribution of the helical modes is found through spin-resolved field mapping, and verified numerically by tight-binding and finite-element calculations. These one-dimensional helical channels can serve as robust waveguides in three-dimensional media. Our experiment paves the way to studying novel physical modes and functionalities enabled by topological lattice defects in three-dimensional classical topological materials.

研究动机与目标

• 在三维声学拓扑绝缘体中实验观测位错诱导的拓扑螺旋模式。
• 在具有实空间晶格缺陷的经典三维系统中验证体-位错对应原理。
• 通过弱三维拓扑绝缘体中的位错束缚模式，展示稳健的一维波导特性。
• 利用声学晶格平台验证理论预测的在螺旋位错处存在无能隙螺旋模式。

提出的方法

• 通过层间耦合趋近于零的二维声学拓扑绝缘体堆叠，构建弱三维声学拓扑绝缘体。
• 通过“切割-粘合”工艺工程化螺旋位错，改变耦合关系，使晶格呈现螺旋楼梯结构。
• 设计使用共振器与耦合管道的声学晶格，通过符号可控的耦合实现紧束缚模型。
• 执行自旋分辨场映射，测量模式的空间分布与自旋纹理。
• 开展紧束缚模型与有限元模拟，以佐证实验观测结果。
• 在模拟中采用周期性边界条件，以隔离位错模式并消除表面态干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在三维声学拓扑绝缘体中实验观测到位错诱导的螺旋模式？
• RQ2 所观测到的模式是否表现出预测的自旋纹理与拓扑保护特性？
• RQ3 在具有螺旋位错的经典三维系统中，体-位错对应原理是否成立？
• RQ4 此类位错束缚模式是否可在三维介质中作为稳健的一维波导？
• RQ5 模式分布与色散关系如何与拓扑指标及伯格斯矢量相关联？

主要发现

• 通过自旋分辨场映射，首次实现了在三维声学拓扑绝缘体中对位错诱导螺旋模式的直接实验观测。
• 模式的空间分布与理论预测一致，沿位错线表现出螺旋边缘态行为。
• 数值模拟证实了在体带隙内存在两重简并、无能隙的螺旋模式。
• 模式被发现沿螺旋位错稳健存在且局域化，未向体相泄漏。
• 实验与模拟结果共同验证了体-位错对应关系，其中 B·Gv/2π ≠ 0 确认了拓扑保护。
• 该系统展现出约100 Hz的完整带隙，螺旋模式在该带隙内完全受限，且在整个带隙内呈现无色散特性。