近日，华南理工大学物理与光电学院人工微结构物理实验室团队在二维拓扑声子晶体中取得重要进展，实现了由赝自旋-轨道耦合诱导的声自旋陈绝缘体。研究成果“Acoustic spin-Chern insulator induced by synthetic spin-orbit coupling with spin conservation breaking”（《自旋不守恒的情况下合成自旋轨道-耦合诱导的声自旋陈绝缘体》）在线发表在Nature Communications上。其中，华南理工大学为论文的第一署名单位，邓伟胤副教授和黄学勤教授为论文的共同第一作者，李锋教授和武汉大学刘正猷教授为论文的共同通讯作者。论文的合作者包括陆久阳副教授，ETH的Sebastian D. Huber教授及其博士生Valerio Peri。

发现具有体能隙和无能隙边缘态的拓扑绝缘体为凝聚态物理开辟了新的方向。广义而言，二维拓扑绝缘体可以分为两类，一类是破坏时间反演对称性的，例如量子（反常）霍尔绝缘体，其边缘态是手性的；另一类是保持时间反演对称性的，例如量子自旋霍尔绝缘体，具有螺旋性边缘态。实现量子自旋霍尔绝缘体的关键是系统存在较强的自旋-轨道耦合，使得体能带的波函数具有非平庸的拓扑性质。由自旋-轨道耦合诱导的拓扑相可以推广到三维，也就是三维拓扑绝缘体。量子自旋霍尔绝缘体的拓扑性质可由Z₂指标或自旋陈数描述。在自旋守恒的情况下，Z₂指标和自旋陈数是等价的。实际上，自旋陈数的定义不依赖于自旋守恒和任何的对称性，并已用于描述时间反演对称性破缺的拓扑绝缘体和赝自旋拓扑绝缘体，从而产生了自旋陈绝缘体的概念。自旋陈绝缘体具有螺旋性边缘态，但是否为无能隙，取决于系统的对称性和样品边界的微观结构。

以往对声学拓扑绝缘体的研究，侧重于将拓扑模式限制在不同声子晶体相之间畴壁处的界面态。尽管这些研究本身很有趣，但是它们具有一个重要的技术缺点：通常不可能在单声子晶体相的边缘上产生这样的模态。该研究工作实现了由赝自旋-轨道耦合诱导的声学自旋陈绝缘体（图1a），观测到沿单声子晶体相的边缘传播的螺旋性边缘态（图1b）并验证其鲁棒性（图1c），并在H型样品中观察到边缘态的自旋翻转效应（图1d）。

图1：声学自旋陈绝缘体

据了解，物理与光电学院人工微结构物理实验室声学团队主要研究经典波中的拓扑物理和新奇的输运行为，已经以华南理工大学为第一单位在Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications和Physical Review Letters等期刊上发表多篇文章。该项工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、广东省珠江人才计划项目、广东省杰出青年基金、中央高校基本科研基金项目的支持。（图文/ 物理与光电学院）

附：论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17039-1