中科院物理所朱学涛/郭建东团队Phys. Rev. Lett.: 石墨烯中拓扑声子的直接观察

2023年9月14日，Phys. Rev. Lett.在线发表了中科院物理所朱学涛研究员、郭建东研究员、中科院金属所陈星秋研究员和北京大学彭海琳教授课题组的研究论文，题目为《Direct Observation of Topological Phonons in Graphene》。

声子作为凝聚态体系中最基本的玻色子，在晶体材料的热、力学和电子性质中起着至关重要的作用。最近，拓扑的概念被引入到声子体系中，由于空间群的晶体对称性约束，声子中也存在非平庸拓扑态。与电子体系中的拓扑分类类似，晶体材料中的拓扑声子（TPs）在理论上被分类为Weyl声子、Dirac声子（DPs）、节线/节环（NPs）声子和沙漏声子。尽管从理论上丰富了各种拓扑声子（TPs）的分类，但实验研究仅限于具有非弹性x射线或中子散射的几种三维单晶。在二维材料中拓扑声子的实验证据是缺失的。在此研究中，根据理论预测和使用高分辨率电子能量损失谱（HREELS），作者直接绘制出整个二维布里渊区中原子薄石墨烯的声子谱，并观察到两个节环声子和四个狄拉克声子。研究测量清楚地揭示了二维动量空间中节环声子的闭环和狄拉克声子的锥形结构，与理论计算非常一致。声子谱的三维映射（二维动量空间和能量空间）的能力为系统识别拓扑声子态开辟了一条新的途径。这项研究工作为拓扑声子在超导、动态不稳定性和声子二极管中的潜在应用奠定了坚实的基础。

图1 二维六方晶格中拓扑声子的对称性和分类

图2 石墨烯声子谱及实验装置

图3 石墨烯的节环声子

图4 石墨烯的狄拉克声子

【论文链接】

Li, J., Li, J., Tang, J. et al. Direct Observation of Topological Phonons in Graphene. Phys. Rev. Lett., 2023, 131, 116602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.116602

【其他相关文献】

[1] Li, J., Liu, J., Baronett, S.A. et al. Computation and data driven discovery of topological phononic materials. Nat. Commun., 2021, 12, 1204. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21293-2

[2] Miao, H., Zhang, T.T., Wang, L. et al. Observation of Double Weyl Phonons in Parity-Breaking FeSi. Phys. Rev. Lett., 2018, 121, 035302. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.035302

[3] Xia, B.W., Wang, R., Chen, Z.J. et al. Symmetry-Protected Ideal Type-II Weyl Phonons in CdTe. Phys. Rev. Lett., 2019, 123, 065501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.065501

[4] Zhang, T.T., Miao, H., Wang, Q. et al. Phononic Helical Nodal Lines with PT Protection in MoB₂. Phys. Rev. Lett., 2019, 123, 245302. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.245302

[5] Chen, Z.J., Wang, R., Xia, B.W. et al. Three-Dimensional Dirac Phonons with Inversion Symmetry. Phys. Rev. Lett., 2021, 126, 185301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.185301