能帶中的非平凡拓撲的研究在最近的十年裏是凝聚態物理的研究焦點之一。目前，該領域已經從拓撲絕緣體的研究發展到了電子體系和非電子體系中各種類型拓撲態的發現和研究。其中非電子體系方面的研究主要集中於光子晶體和經典機械波等人造體系中，而真實的晶體裏的拓撲玻色子激發的研究相對較少。其中的部分原因，是因爲可以用來有效探測這些拓撲激發的譜學測量手段有限，且實現起來存在諸多困難。

約一年前，由中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室方辰副研究員和北京大學國際量子材料中心李源副研究員帶領原物理所研究生厲康康和原北京大學物理學院本科生黎晨遠等人組成的團隊完成了一項理論工作，預言了在一大類反鐵磁體的自旋波能帶中存在這拓撲保護的能帶交點。當體系的基態磁結構保持了沿某一方向的旋轉對稱羣時，拓撲能帶交點的一般形式爲狄拉克點【圖一（a）】；當Dzyaloshinsky-Moriya相互作用等微擾項引入從而破壞了自旋旋轉對稱性時，這個狄拉克點會變成一個線型或圓型的拓撲線節點【圖一（b）】。這個線節點與以往提出的線節點都不同，具有非平凡的單極荷。該團隊進一步在Cu₃TeO₆的反鐵磁基態中建立模型，提出在該體系中可以觀察到理論預言的狄拉克點【圖一（c）】。該工作於去年年末發表在Physical Review Letters。

在理論預言之後，北大-物理所合作團隊再接再厲。他們使用了日本原子能所在J-PARC的中子散射測量設備，完成了對Cu₃TeO₆單晶樣品中的能量-動量分辨的中子非彈性散射譜的測量。測量結果的原始數據質量非常高，從中可以明顯看到高能區的數個拓撲能帶交點【圖二（a）】，而對P點（布里淵區中某個高對稱動量點）的精細分析則在多個獨立的方向上都確定了線性色散關係【圖二（c）】。對於能帶交點，只要所有方向上的色散關係都是線性的，則能帶交點必是拓撲保護的。因此，該實驗證明了理論預言之一，即P點是狄拉克點。與此同時，方辰指導黎晨遠得到了可以高度還原實驗數據的自旋波模型。從圖二中（a）與（b）的對比、（d）與（e）來看，理論預言可以說是半定量地還原了實驗數據。理論和實驗的吻合，進一步確認了P點是拓撲狄拉克點這一事實。此工作作爲國際上第一次在磁諧振子激發中觀察到拓撲能帶交點的工作，近日發表於Nature Physics網站在線發表。方辰、李源是共同通訊作者，北京大學物理學院研究生姚偉良、王立晨和原本科生黎晨遠爲共同第一作者。參與實驗的還有日本原子能所在J-PARC的幾位科學家。

相關文獻：

[1] K. Li et al.,Phys. Rev. Lett.119, 247202 (2017).

[2] W. Yao et al.,Nat. Phys., DOI:10.1038/s41567-018-0213-x (2018).

圖一：（a）J₁-J₂模型下計算出的Cu₃TeO₆的自旋波能帶圖，D_1,2,3爲理論預言的狄拉克點，其中D₂位於布里淵區的P點處。（b）布里淵區以及從狄拉克點到線節點的演化示意圖。（c） Cu₃TeO₆的磁結構以及J1-J2模型示意圖。深藍色自旋爲向上，淺藍向下；黑色邊和紅色邊分別爲J₁和J₂。

圖二：Cu₃TeO₆中非彈性中子散射的實驗數據和理論預測。（a）是沿着幾條高對稱線掃描得到的非彈性散射的結構因子；（b）是同樣路徑下，用自旋波模型理論計算得到的非彈性散射的結構因子；（c）是將多個布里淵區的等價路徑加以平均之後，在P點附近得到的、沿着過P點的非高對稱面上的結構因子在不同能量上的切面圖；（d）和（e）HPH這條路徑上實驗得到的和理論計算得到的結構因子圖，其中兩個H點位於不同的布里淵區。

編輯：太陽騎士07

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓