[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出了一种三维声学外尔系统，该系统可支持更高阶的费米弧态——即局域于棱边的拓扑边缘模态，其由动量空间中的体能带拓扑与实空间晶格缺陷之间的相互作用所诱导。由此产生的波导可支持单向传播、轨道角动量锁定的声学模式，并发射涡旋波束，展示了一种新型的拓扑波导机制，具有集成声学应用的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探索在传统表面费米弧之外的三维声学系统中更高阶拓扑模态的出现。
• 研究实空间晶格缺陷如何与动量空间能带拓扑杂交，以生成局域于棱边的模态。
• 通过实验展示这些模态携带量子化的轨道角动量，并发射声学涡旋。
• 建立一种新型拓扑波导设计原则，以实现对声波传播与辐射的增强控制。

提出的方法

• 设计一种具有工程化晶格缺陷的三维声学外尔结构，以破坏反演对称性并诱导拓扑棱边模态。
• 调控体能带结构，使其在动量空间中形成外尔点，从而产生拓扑表面态。
• 在实空间引入类似位错的晶格缺陷，使其与体能带拓扑耦合，从而将模态局域于系统棱边。
• 利用数值模拟预测所得边缘态的色散关系与轨道角动量。
• 开展全尺寸声学实验，测量模态的色散关系、波前结构及远场辐射特性。
• 表征辐射图案，以确认形成具有量子化相位奇点的声学涡旋。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维声学外尔系统中，拓扑晶格缺陷是否可在系统棱边而非表面上诱导更高阶费米弧态？
• RQ2 在这些拓扑波导模态中，轨道角动量如何与传播方向锁定？
• RQ3 棱边模态的色散关系是什么？其与传统费米弧有何不同？
• RQ4 这些模态能否向自由空间相干发射声学涡旋？其远场辐射图案的特性如何？
• RQ5 动量空间中的拓扑性与实空间晶格缺陷之间的相互作用如何调控这些模态的出现？

主要发现

• 该系统表现出对无序具有鲁棒性的局域于棱边的拓扑模态，且具有单向传播特性。
• 模态携带量子化的轨道角动量，且其方向与传播方向锁定，实验相位测量结果已证实。
• 棱边模态的色散关系表现出与波矢的线性依赖关系，特征为有效一维系统中的外尔型色散。
• 声学涡旋被发射至自由空间，具有明确的相位奇点，证实了量子化轨道角动量的存在。
• 实验观测到的模态与理论预测高度一致，验证了晶格缺陷在实现更高阶拓扑态中的关键作用。