9月26日，《今日材料物理》（Materials Today Physics）期刊在线刊发凝聚态物理研究所傅华华教授课题组题为《声子晶体中孤立外尔点激发的非均匀风扇型表面态以及其在多频声波过滤器的应用》（Inhomogeneous fan-shaped surface state induced by isolated Weyl points in acoustic crystals and the associated multi-frequency sound-wave filters）的学术论文。华中科技大学为论文唯一单位，该课题组博士王哲齐为第一作者，傅华华教授为论文通讯作者。该工作是该课题组首次提出“风扇型拓扑表面态”的概念后[Adv. Sci., 10, 2207508 (2023)]，发现的另一类风扇型拓扑表面态，由于该类表面态多个“扇叶”在空间分布上呈现非均匀特性，使得具有该类拓扑表面态的实际材料中，将出现空间分布不同、且无能量损耗的多个独立特殊输运通道。

该课题组之前的研究中发现，在单极型外尔点存在的布里渊区所有边界面上，将会存在着受拓扑保护的封闭型节点面。由于单极型外尔点和二维节点面间的补偿效应，将在布里渊区边界面上激发风扇型拓扑表面态（图1（a））。而在该工作中，该课题组还发现存在着另一类新型风扇型拓扑表面态；且与之前的均匀型风扇型表面态不同，这种非均匀的风扇型表面态的单极性外尔点的陈数与旋转对称性不是完全匹配，而是由多个独立的旋转对称性所贡献，使得风扇型表面态的“扇叶片”呈现出大小不一的形状（见图1（c））。且通过对称性分析，该类新型拓扑表面态可以存在于198号空间群。

为了证实其的理论分析结果，该课题组通过构造满足198号空间群的紧束缚模型，成功地在没有四重旋转对称性的结构中，实现了陈数为4的单极性外尔点。因为旋转对称性和陈数的不匹配，导致这种单极性外尔点所诱导的拓扑表面态呈现非均匀的风扇型。进一步地，通过构建与紧束缚模型相对应的实际声子晶体（见图2（a），并结合有限元仿真模拟，也成功地观测到非均匀性风扇型表面态的存在和空间分布，见图2（e）-（f）；且发现该非均匀性风扇型表面态的不同叶片上，呈现不同的声波分布模式和分布强度，并且表面态模式随着远离单极性外尔点而逐渐减弱，见图3所示。

更重要地是，大小不同的拓扑态扇叶，在实际晶体中存在于不同的空间，可设计为多个独立的、无能量耗散的声波输运通道。该新奇特性将为声子晶体设计成无能量耗散、多频声波滤波器和选择器提供理论基础。该拓扑器件设计思想可以拓展到具有单极型外尔点的拓扑电子、声子和光子材料等。该工作得到了国家自然科学基金的资助。

图1:陈数为4的单极性外尔点对应的两种不同类型的风扇型拓扑表面态。（a）一个单极型外尔点和封闭型外尔节线面在拓扑荷上形成补偿、并诱导风扇型表面态，其扇叶数与孤立外尔点的拓扑荷数紧密相关；（b）和（c）两种不同类型的风扇型表面态。

图2:（a）具有非均匀性风扇型表面态声子晶体原胞结构；（b）和（c）声子晶体能带结构；（d）001方向超胞的能带结构；（e）和（f）001方向不同等频面的表面态；

图3:（a）001方向扩胞沿0.4M−Γ−0.4Mʹ路径的能带；（b）实空间的最大声压分布；（c）-（f）对应不同k点不同频率下的声压分布。表面态不同扇叶将出现在不同空间位置，形成不同的、独立的拓扑输运通道。

另悉，该课题组近期在新型功能材料设计、应用和物理机理研究上，也取得了多项重要进展。如：（1）发现了一类新型具有极高光电转换效率的二维钙钛矿材料[Advanced Materials, 2313889 (2024)，与武汉大学方国家教授课题组合作]；（2）揭示一类具有金属-半导体相变的二维材料，可以用于构建具有极低电源电压和超低能耗的新一代晶体管[Materials Horizons,DOI: 10.1039/d4mh00662c(2024)，该课题组博士后谭兴毅为第一作者（现已出站）]；（3）发现一类新型拓扑声子态，并命名为蝶状鸟笼型拓扑声子态[Physical Review B 109, 155414 (2024)，课题组博士生杨向峰同学为第一作者]等。

相关论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.nanolett.4c00383；

https://doi.org/10.1002/adma.202313889

https://doi.org/10.1039/d4mh00662c

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.155414