MoB2中螺旋節線聲子譜的預言和驗證的聯合研究獲進展

　　近年來，越來越多的拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料被預言、驗證和研究，推動了拓撲材料理論的不斷發展和完善。在對稱性指標理論和拓撲量子化學理論提出后，中國科學院物理研究所研究員方辰、方忠等確立了對稱性數據與拓撲不變量的關系，形成拓撲詞典，再與研究員翁紅明等合作，發展了高通量計算判別拓撲材料的方法，反過來促進了更多拓撲材料的發現。他們通過篩選ICSD數據庫中近四萬多種材料，判別出8000余種非磁性拓撲材料，并進行了拓撲分類，建立了“拓撲電子材料目錄”的在線數據庫。拓撲電子系統研究的長足發展，也促進了玻色子拓撲態的研究，催生了拓撲光子晶體，拓撲聲學等研究方向，但對于量子力學極限下的拓撲聲子的研究非常少，因為相對于拓撲聲學研究的人工體系經典振動波，晶格振動形成的聲子需要用量子力學來處理，其準確的理論計算和實驗測量都非常困難，很具挑戰性，但聲子的拓撲特性可能導致新奇的熱輸運、電輸運等特性，值得進行深入研究。

　　最近，中科院物理所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員翁紅明、方忠、博士生張田田（現為日本東京工業大學博士后），與布魯克海文國家實驗室研究員Mark Dean、博士苗虎（現為美國橡樹嶺國家實驗室研究員），中國人民大學物理系教授雷和暢等人合作，通過第一性原理計算和基于對稱性指標理論的拓撲分析以及meV分辨率非彈性X射線散射，準確預言并實驗探測證實了MoB2中兩組節線聲子譜的存在（圖1（f）和圖3）。由于這兩組節線聲子譜只受時間反演對稱性和空間反演對稱性的保護，無需其它對稱性，因此在動量空間的分布具有任意性，呈現出螺旋狀的形態（圖2（b-c））。在測量體態聲子色散的基礎上，他們把第一性原理計算的動力學結構因子的強度與實驗測量結果進行了對比，結果非常符合，從而證實了MoB2中節線聲子譜的存在（圖3）。

　　由于電子系統中不可避免存在自旋軌道耦合效應，時間和空間反演對稱性保護的節線總會因為自旋軌道耦合作用打開能隙，不能形成節線半金屬態。因此，形成這種時間空間反演保護的節線態是聲子譜等玻色子系統的優勢。該項工作建立了一種THz聲子系統中拓撲能帶的研究模式，通過計算與實驗的結合，可以準確地識別拓撲聲子激發，為晶體材料中拓撲聲子的研究開辟了新途徑。這項工作是該研究團隊在發現雙外爾聲子后的又一進展，逐步拓展了拓撲聲子研究方向。

　　該工作近期發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 123, 245302 (2019)）上。參與該項研究的還包括中科院物理所的林佳琪，美國阿貢國家實驗室的曹原、G. Fabbris、 A.H. Said，中國人民大學的王琦和上海科技大學的X. Liu等。此項工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院等的資助。

圖1：（a-b）聲子體系中等兩種拓撲能帶交叉，分別為外爾/狄拉克點和節線點。（c）MoB2的布里淵區。（d-e）MoB2的晶胞和原包示意圖。（f）MoB2的聲子譜，其中兩個虛線穿過的能帶交叉點對應文章中提到的兩組時間和空間反演對稱性保護的節線聲子。

圖2：（a）利用對稱性指標理論判別MoB2中節線聲子的過程。（b-c）MoB2中能量較低一組節線聲子在布里淵區的分布圖。

圖3：（a-c）為第一性原理計算沿著三個方向的動力學結構因子強度圖。（d-f）為非彈性X光散射沿著相同三個方向的測量強度圖。(g-h)分別為(7,7,7)\(\rightarrow\)(7,7.5,6.5)和(7.5, 7.5, 7.5))\(\rightarrow\)( 7.5,8,7)兩個方向非彈性X光散射的測量強度和對應的擬合結果。