[论文解读] Single-plaquette gauge flux as a probe of topological phases on lattices

Zhi‐Kang Lin, Ying Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用 1

一句话总结

本研究通过维度扩展和台阶型螺旋位错，在晶格的单个元胞内实验实现了亚元胞尺度的规范通量插入，实现了通过谱流和拓扑边界态探测实空间拓扑不变量（RSTIs）。该工作展示了这些边界态的一维传播与规范相位累积，建立了一个新的平台，用于通过声学系统中的合成规范场探测拓扑晶相。

ABSTRACT

Gauge fields lie at the heart of the fundamental physics of our universe and condensed matter. In lattice systems, the manipulation of local gauge flux, though crucial for quantum states control and for the probe of exotic quantum phases, however, has never reached the sub-unit-cell scale. Here, we report on the first experimental realization of local gauge flux insertion in a single plaquette in a lattice with the gauge phase embracing the full range from 0 to $2\pi$. This extremely localized gauge flux is achieved through an approach based on dimension extension, a step screw dislocation and dimensional reduction. Remarkably, we discover that such single-plaquette gauge flux insertion leads to the detection of the real-space topological invariants (RSTIs) which are instrumental in discerning various topological phases in two-dimensional lattices. The salient consequence of the RSTIs is the spectral flows across the topological band gaps, which are manifested as the emergent topological boundary states localized around and propagating along the inserted gauge flux. We create the physical realization of such a scenario using a designed sonic crystal structure and verify the topological boundary states by detecting their dispersions and wavefunctions through versatile acoustic measurements. We further visualize in experiments the gauge phase accumulation around the flux-carrying plaquette and the one-dimensional propagation of the topological boundary states. Our work unveils experimentally an unprecedented regime for gauge fields in lattices and a fundamental topological response in topological crystalline phases, which thus brings about new aspects in the study of synthetic gauge fields and topological physics.

研究动机与目标

• 在晶格系统中实现亚元胞尺度的规范通量插入，克服合成规范场在空间分辨率上的限制。
• 利用实空间拓扑不变量（RSTIs）探测二维晶格中的拓扑相，这些相在实验中原本难以直接探测。
• 展示局域化规范通量插入导致拓扑边界态的出现以及谱流的产生。
• 在设计的声学晶体平台上可视化并验证规范相位累积与拓扑边缘模的一维传播。
• 为在凝聚 matter 系统中研究合成规范场与拓扑晶相建立新的实验范式。

提出的方法

• 通过台阶型螺旋位错实现维度扩展，在晶格的单个元胞中创建局域化规范通量。
• 利用维度约化将规范通量限制在单个元胞内，实现在亚元胞尺度的精确控制。
• 设计定制化的声学晶体结构，物理实现具有可调规范通量与拓扑能隙的晶格。
• 通过多样的声学探测技术测量所涌现的拓扑边界态的色散关系与波函数。
• 通过空间相位分辨测量追踪规范相位在通量承载元胞周围的累积。
• 观察到跨越拓扑能隙的谱流，作为实空间拓扑不变量（RSTIs）的直接标志，证实了响应的拓扑本质。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在晶格中将规范通量局域化至单个元胞的亚元胞尺度？
• RQ2 局域化规范通量插入是否导致拓扑边界态与谱流的出现？
• RQ3 能否通过此类局域化通量插入实验探测实空间拓扑不变量（RSTIs）？
• RQ4 在合成规范场中，单个通量承载元胞周围的规范相如何累积？
• RQ5 能否在设计的声学平台上可视化并验证拓扑边缘态的一维传播？

主要发现

• 首次通过维度扩展与台阶型螺旋位错，实现了具有从 0 到 $2\pi$ 全相位控制的单元胞规范通量插入。
• 观察到跨越拓扑能隙的谱流，直接表明实空间拓扑不变量（RSTIs）的存在。
• 拓扑边界态在通量承载元胞周围出现并局域化，沿缺陷线表现出一维传播特性。
• 声学测量证实了拓扑边缘态的色散关系与空间波函数分布，验证了其拓扑起源。
• 实验可视化了通量承载元胞周围的规范相位累积，证实了合成规范场的非平庸特性。
• 该系统即使在单个元胞尺度也表现出稳健的拓扑响应，为探测拓扑晶相开辟了新途径。