段文晖&徐勇Natl.Sci.Rev.展望：声子的Berry相位与拓扑效应

【引言】

声子是晶格振动的元激发，是固体中热输运的主要载体。许多重要的实际应用与器件（如集成电路的散热、热障涂层、热电效应、热二极管、热三极管等）都需要有效地控制声子输运，与之相关的研究构成了现代物理学的一大分支——声子学。另一方面，新型拓扑量子物态的发现，如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属等，从根本上改变了人们对电子态的认识，并对电子学、自旋电子学、拓扑量子计算等领域产生了革命性的影响。最新的研究工作将拓扑的物理概念引入声子学，利用Berry相位、拓扑等新奇的量子自由度，实现全新的声子操控，因此诞生了一个新兴的研究领域——拓扑声子学。

【成果简介】

国家科学评论（National Science Review），最近发表了清华大学物理系徐勇助理教授、段文晖教授课题组共同撰写的题为“Berry Phase and Topological Effects of Phonons”的观点文章（National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx086）。这篇文章从基础理论到潜在应用，概括了声子的Berry相和拓扑效应的最新研究进展。通过引入声子的类薛定谔方程，许多拓扑的物理概念能从电子直接推广到声子。然而，声子体系与电子体系有着本质的区别：声子满足玻色-爱因斯坦统计分布，不同频率的拓扑能隙因此都能被物理观测。该文章还讨论了对称性与声子拓扑的相互作用。以二维蜂窝状晶格为例，时间反演对称破缺会产生具有非零拓扑陈数的声子态，即声子的类量子霍尔态，具有单向导通的不受散射的声子边界模式；空间反演对称破缺会产生具有非零Berry相的谷，可用作调控声子输运的新型量子自由度，即谷声子学；两种对称性破缺机制相互竞争，能导致拓扑相变并演生出丰富的声子拓扑量子态。

除此之外，该文章还展望了拓扑声子学在未来声子器件方面的潜在应用，包括低耗散的声子输运通道、高效率的声子二极管和谷声子学器件等。拓扑声子学给未来声子学基础研究和器件应用带来了概念性的创新，有望产生重要突破。

【图文导读】

图1 二维蜂窝状晶格中声子的Berry曲率和拓扑量子态

（a）由A / B亚晶格和K / K'谷附近的狄拉克锥体组成的蜂窝状晶格

（b,c）具有破坏（b）空间反演对称P和（c）时间反演对称T的声子Berry曲率分布（上）以及堆积带示意图与拓扑边界状态（下）。主要位于A（B）亚晶格的声子态用红色（蓝色）标记。

（d）同时破坏P和T引起的两个两个非退化性的谷

【小结】

作为一个展望，还有许多有趣的研究课题正在等待被探索：

（i）找到有效的方法来破坏实体中声子的TRS。

（ii）探索通过对称性保护的拓扑声子状态，如空间群对称，并起无需破坏TRS。

（iii）探索3D晶格中的狄拉克或威尔声子。

（iv）在实体材料中实现声子的Berry相和拓扑效应。

文献链接：Berry Phase and Topological Effects of Phonons（Natl.Sci.Rev.,2017,10.1093/nsr/nwx086）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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