為盤點(diǎn)2016年凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展，以電子負(fù)折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、氦III的新相中觀察到半量子渦旋、實(shí)現(xiàn)功能氧化物界面處的自旋電荷轉(zhuǎn)化、發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子存在的關(guān)鍵證據(jù)、在聲學(xué)拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)聲子的量子自旋霍爾效應(yīng)等成果比例，本文簡述了低維量子體系、關(guān)聯(lián)體系、拓?fù)潴w系、帶隙調(diào)控及量子計(jì)算等方向的進(jìn)展。
摘要
2016 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予David J. Thouless，F. Duncan M. Haldane和John M.Kosterlitz 3 位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)拓?fù)湎嘁约霸谕負(fù)湎嘧兎矫孀鞒龅睦碚撠暙I(xiàn)，這極大地鼓舞了凝聚態(tài)物理學(xué)家的研究熱情。拓?fù)涓拍畹囊氩粌H引發(fā)人們重新審視過去的物理現(xiàn)象和概念，也激勵(lì)科學(xué)家在探索新現(xiàn)象、發(fā)掘新物質(zhì)和證實(shí)多種物理規(guī)律或機(jī)制的道路上奮勇前進(jìn)。
凝聚態(tài)物理學(xué)的主要研究對象是由粒子（如原子、離子、分子等）構(gòu)成并在某種程度上呈現(xiàn)匯聚形式的物質(zhì)。構(gòu)成凝聚體的粒子種類可以多樣，每個(gè)粒子的內(nèi)稟屬性和空間運(yùn)動具有多個(gè)自由度，而凝聚的形式又可以在外場（外界環(huán)境）的作用下呈現(xiàn)多種變化，展現(xiàn)出豐富、復(fù)雜又迷人的物理現(xiàn)象，因而凝聚態(tài)物理學(xué)的研究成為當(dāng)代物理學(xué)領(lǐng)域最龐大的分支之一。有別于其他物理學(xué)分支的是，凝聚態(tài)物理涉及到的空間尺度沒有天體物理那么大，而能量尺度也不會如高能物理那么高；通俗地來講，大多數(shù)呈現(xiàn)凝聚態(tài)的物質(zhì)都是生活中常見或常用的，并與當(dāng)代生物技術(shù)、信息技術(shù)的革新息息相關(guān)。
2016年對凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域來說是一個(gè)充滿喜悅的豐收年。本文列舉5個(gè)具有代表性的科研工作，概要地介紹和展示凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域在2016年中獲得的重要發(fā)現(xiàn)和成果。重點(diǎn)選取了低維量子體系、關(guān)聯(lián)體系、拓?fù)潴w系、帶隙調(diào)控及量子計(jì)算這5個(gè)領(lǐng)域。低維量子體系方面介紹了石墨烯PN結(jié)處的電子負(fù)折射現(xiàn)象。關(guān)聯(lián)體系方面介紹了功能氧化物界面處的電荷自旋的相互轉(zhuǎn)化。拓?fù)潴w系方面介紹了以半量子渦旋為代表的拓?fù)淙毕莺鸵月曌泳w的演化為代表的拓?fù)湎嘧�。帶隙調(diào)控方面介紹了聲子晶體中的能帶反轉(zhuǎn)。量子計(jì)算方面介紹了馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。
電子負(fù)折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
俄國物理學(xué)家Victor Veselago 在1968年理論上預(yù)言了光線的負(fù)折射，21世紀(jì)初多國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上終于證實(shí)了光學(xué)中的負(fù)折射現(xiàn)象，并在接下來的幾年中從二維陣列擴(kuò)展到三維材料，從微波頻段擴(kuò)展到可見光范圍。隨后，光學(xué)負(fù)折射現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用在如可以彎曲光線的隱形斗篷和突破衍射極限的超透鏡的制備中。
對于固體中的載流子（電子和空穴），可以用費(fèi)米波矢來描述它的運(yùn)動行為。當(dāng)電子在N型半導(dǎo)體中，費(fèi)米波矢與其運(yùn)動方向一致；而在P型半導(dǎo)體中，載流子換為空穴，費(fèi)米波矢也隨之反向。如同光線在兩個(gè)具有一正一負(fù)折射率的介質(zhì)界面處會發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象一樣，電子在任意一種半導(dǎo)體的PN結(jié)處也應(yīng)該發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象；并且原則上由于不需要像光學(xué)中專門構(gòu)造具有負(fù)折射率的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)，電子的負(fù)折射現(xiàn)象應(yīng)該更容易產(chǎn)生。但是相比之下，電子負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)卻推遲了十余年。
其原因，一方面是由于電子在一般的半導(dǎo)體中會與結(jié)構(gòu)中的缺陷、雜質(zhì)和晶格振動發(fā)生散射而偏離原先的運(yùn)動軌跡，使得傳播方式和光線的直線傳播行為相差甚遠(yuǎn)；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體在導(dǎo)帶和禁帶之間具有一定寬度的能隙，電子只有獲得或損失一部分能量才能跨越PN結(jié)從一端到達(dá)另一端，因此絕大部分的電子僅僅是被散射或反射，而無法透射到另一端并產(chǎn)生可觀測的折射或負(fù)折射現(xiàn)象。
自2007年人們將目光轉(zhuǎn)移到石墨烯上，寄希望于石墨烯的PN結(jié)處可以實(shí)現(xiàn)電子的負(fù)折射現(xiàn)象（圖1）。高質(zhì)量的單晶石墨烯具有極高的電子遷移率，在室溫下就可以允許電子傳播數(shù)微米的距離，而不存在由于結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)導(dǎo)致的任何碰撞或散射。同時(shí)，單原子層的石墨烯作為一種零帶隙的二維材料，其PN結(jié)對于電子來說變得相當(dāng)透明，大多數(shù)電子都可以無能量改變地透射過去。
圖1 電子在石墨烯PN 結(jié)處的負(fù)折射現(xiàn)象的示意
然而，想在石墨烯中觀察到電子負(fù)折射現(xiàn)象并沒有那么簡單。傳統(tǒng)的光刻工藝會不可避免地在石墨烯PN結(jié)界面處產(chǎn)生原子尺度的起伏，這微弱的起伏對于電子的傳輸卻是致命的；就如同光線照射到毛玻璃上被漫散射一樣，大多數(shù)的電子也會在不平整的界面處發(fā)生散射而無法透射過去，也就沒辦法產(chǎn)生可觀測的折射或負(fù)折射現(xiàn)象。2016年，哥倫比亞大學(xué)的Cory Dean 等利用石墨烯自身的邊緣作為原子級平整的邊界，克服了界面散射的問題，成功地觀察到電子的負(fù)折射現(xiàn)象。不僅電子負(fù)折射技術(shù)和石墨烯PN結(jié)存在眾多潛在的應(yīng)用，而其中制備原子級平整的界面技術(shù)也對未來的器件制造提供了啟發(fā)性的借鑒意義。該成果發(fā)表在2016年9月30日《Science》雜志上，并被歐洲物理學(xué)會新聞網(wǎng)站Physics World評選為“2016年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破”之一。
在氦III 的新相中觀察到半量子渦旋
超流體具有超流動性，指的是組成超流體的粒子集體表現(xiàn)出液態(tài)行為，同時(shí)內(nèi)部不具有任何粘滯阻力。構(gòu)成超流體的粒子一般為可以形成玻色愛因斯坦凝聚的玻色子。20 世紀(jì)30 年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家Pyotr Leonidovich Kapitsa首先觀察到液態(tài)氦Ⅳ的超流體特性，并因此獲得1978年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一現(xiàn)象很快被蘇聯(lián)科學(xué)家Lev Davidovich Landau 用凝聚態(tài)理論解釋。而超流動性這一概念也延伸到天體物理、高能物理及量子引力的理論研究中。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家在氦Ⅲ中也發(fā)現(xiàn)了超流動特性，原本具有費(fèi)米子特性的氦Ⅲ原子兩兩形成了庫珀對，而庫珀對是一種玻色子，因此可以發(fā)生玻色愛因斯坦凝聚并形成超流體。
超流體中的量子渦旋指的是超流體圍繞一個(gè)點(diǎn)狀的孔流動構(gòu)成的渦旋結(jié)構(gòu)。沿著渦旋路徑對速度矢量積分后可以發(fā)現(xiàn)，渦旋度即環(huán)路的線積分值是分立不連續(xù)的整數(shù)，因此稱作量子渦旋。渦旋度的最小單位是h/2m，其中h是普朗克常數(shù)，m 是超流粒子的質(zhì)量。如圖2 所示，左側(cè)為單量子渦旋，它的環(huán)形通量值等于h/2m，相當(dāng)于量子相θ 發(fā)生了2π的變化，而自旋方向相關(guān)的相角α 卻沒有變化；右側(cè)為半量子渦旋，它的環(huán)形通量值等于h/4m，量子相θ 和自旋方向相關(guān)的相角α都發(fā)生了π的變化，使得總體相角的變化也是2π。
圖2 單量子渦旋（左）與半量子渦旋（右）示意
單量子渦旋于20世紀(jì)60年代在氦IV和氦III中相繼被發(fā)現(xiàn)。1985年理論物理學(xué)家預(yù)言氦Ⅲ中可以觀察到半量子渦旋。因?yàn)榘肓孔訙u旋并不會在一般的體系中出現(xiàn)，只有當(dāng)構(gòu)成這個(gè)體系的粒子是由基本粒子配對而成的時(shí)候，這個(gè)體系中才會出現(xiàn)半量子渦旋。氦Ⅲ超流相時(shí)其構(gòu)成粒子是庫珀對，而庫珀對是由更基本的粒子即氦Ⅲ原子構(gòu)成的，因此有希望在氦Ⅲ中觀察到半量子渦旋。
科學(xué)家在多種電子結(jié)構(gòu)與氦Ⅲ類似的體系中觀察到半量子渦旋，如玻色愛因斯坦凝聚體和自旋三重態(tài)的超導(dǎo)體。但是由于強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用，眾多希望在氦Ⅲ中觀測到半量子渦旋的實(shí)驗(yàn)都失敗了。2016 年12月，芬蘭阿爾托大學(xué)和俄羅斯卡皮查研究院的物理學(xué)家成功地在氦III的新相中觀察到了半量子渦旋。這次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，既是對40年來關(guān)于超流氦III的理論發(fā)展和精致實(shí)驗(yàn)控制的確鑿展現(xiàn)，也為未來眾多量子物質(zhì)拓?fù)湎嗔孔討B(tài)的操控提供了獨(dú)特平臺。Samuli Autti 預(yù)言，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為探索半量子渦旋的中心提供了途徑，未來有希望在氦Ⅲ半量子渦旋中心發(fā)現(xiàn)獨(dú)立的馬約拉納費(fèi)米子。該成果發(fā)表在2016年12月14 日《Physical Review Letters》雜志上，并被選為當(dāng)期亮點(diǎn)文章由美國物理學(xué)會新聞網(wǎng)站Physics全文報(bào)道。
實(shí)現(xiàn)功能氧化物界面處的自旋電荷轉(zhuǎn)化
自旋電子學(xué)的概念是20 世紀(jì)80年代誕生的，人們認(rèn)為信息可以通過自旋這一新的自由度來存儲、傳遞和處理，引起了極大的研究熱潮。更加讓科學(xué)家興奮的是，自旋不僅可以通過磁場來調(diào)控，電場也可以有效地實(shí)施調(diào)控。所有通向自旋電子學(xué)的路徑中，最引人注目的是自旋霍爾效應(yīng)。自旋軌道的相互作用使得電子的運(yùn)動與自旋關(guān)聯(lián)起來，當(dāng)電流（電荷）流過樣品時(shí)，發(fā)生自旋極化，在橫截面上產(chǎn)生與其方向垂直的自旋電流，即不同自旋方向的電子朝著相反的方向運(yùn)動（圖3（a）），這是一種典型的電荷向自旋的轉(zhuǎn)化。相反，也可以向材料注入自旋電流，產(chǎn)生與之方向垂直的電荷電流，而這是一種自旋向電荷的轉(zhuǎn)化，被稱作逆自旋霍爾效應(yīng)（圖3（b））。
圖3 自旋霍爾效應(yīng)與逆自旋霍爾效應(yīng)
然而自旋霍爾效應(yīng)的電荷自旋轉(zhuǎn)化效率與逆自旋霍爾效應(yīng)的自旋電荷轉(zhuǎn)化效率一直都在10%以下，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。Edouard Lesne等利用LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面處的低維效應(yīng)，獲得了前所未有的自旋向電荷的高轉(zhuǎn)化效率。
氧化物界面（如LaAlO3/SrTiO3）由于其奇特特性，吸引了眾多的理論和實(shí)驗(yàn)研究，成為氧化物界面材料中最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)對象之一。雖然LaAlO3和SrTiO3 都是寬禁帶的絕緣體，但是當(dāng)LaAlO3 的厚度超過閾值后會在SrTiO3的界面端誘導(dǎo)出二維電子氣，通過適當(dāng)?shù)钠珘赫{(diào)制，可以調(diào)控界面處二維電子氣中電荷的密度和遷移率。尤其有趣的是，當(dāng)電荷密度超過一定閾值后，界面處顯現(xiàn)出超導(dǎo)特性，而超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度同樣可以通過適當(dāng)?shù)钠珘簛碚{(diào)控。
Edouard Lesne等通過鐵磁坡莫合金FeNi層向LaAlO3/SrTiO3界面注入自旋電流，發(fā)生自旋向電荷的轉(zhuǎn)化，并通過樣品兩端產(chǎn)生的電壓探測到了電荷的積累。雖然之前在Ag/Bi（111）的界面處也觀察到了自旋軌道相互作用引起自旋電荷轉(zhuǎn)化，但是這次的轉(zhuǎn)化效率高出了一個(gè)數(shù)量級。
除了電荷與自旋的互轉(zhuǎn)化以外，LaAlO3/SrTiO3界面更由于其存在超導(dǎo)和磁性共存的現(xiàn)象引發(fā)了廣泛而深入的探討，再加上人們對于其界面處二維電子氣形成的物理機(jī)制尚存爭議，LaAlO3/SrTiO3 異質(zhì)結(jié)依舊會是今后研究的熱點(diǎn)。甚至人們希望未來可以在該異質(zhì)結(jié)的界面處探索和發(fā)現(xiàn)一系列準(zhǔn)粒子如馬約拉納費(fèi)米子的獨(dú)特性質(zhì)。該成果發(fā)表在2016年8月29日《Nature Materials》雜志上。
馬約拉納費(fèi)米子存在的關(guān)鍵證據(jù)
根據(jù)相對性量子場論的自旋統(tǒng)計(jì)定理，自旋為半整數(shù)的粒子（包括基本粒子、復(fù)合粒子和準(zhǔn)粒子）都可以稱為費(fèi)米子。理論而言，宇宙中有三種費(fèi)米子：不帶質(zhì)量的外爾費(fèi)米子（Weyl fermion）、帶質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子（Dirac fermion）、粒子與反粒子相同的馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）。此外，相比于真實(shí)宇宙，固體材料中不具有洛倫茲不變量、時(shí)空結(jié)構(gòu)不連續(xù)、遵守空間群而非龐加萊群，因此有希望發(fā)現(xiàn)新的費(fèi)米準(zhǔn)粒子。絕大多數(shù)已知的費(fèi)米子都屬于狄拉克費(fèi)米子，如在粒子物理領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的費(fèi)米子（屬于基本粒子）。除了尚未研究清楚的中微子有可能是馬約拉納費(fèi)米子以外，其他都是狄拉克費(fèi)米子。
狄拉克費(fèi)米子可以用1928年由英國物理學(xué)家Paul Dirac 推導(dǎo)的狄拉克方程描述。當(dāng)?shù)依速M(fèi)米子無質(zhì)量時(shí)，可看作是兩個(gè)具有不同“手性”（左旋和右旋）或是帶相反拓?fù)?ldquo;電荷”的外爾費(fèi)米子的組合。如果對稱性被破壞，這兩個(gè)帶有不同手性的外爾費(fèi)米子就有可能在實(shí)空間或倒空間中分開。1929 年，Hermann Weyl將狄拉克方程簡化，用以描述外爾費(fèi)米子，成為著名的外爾方程。2015 年，普林斯頓大學(xué)的Hasan、麻省理工大學(xué)的Marin Soljacic及中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希和丁洪團(tuán)隊(duì)因關(guān)于外爾費(fèi)米子發(fā)現(xiàn)的先驅(qū)性工作，入選歐洲物理學(xué)會新聞網(wǎng)站Physics World 評選的“2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破”。外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)對室溫低能耗電子學(xué)器件的應(yīng)用具有重要價(jià)值。
1937 年意大利物理學(xué)家Ettore Majorana 在狄拉克方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出可以描述電中性且自旋為1/2 的粒子的馬約拉納方程，而這種粒子也被命名為馬約拉納費(fèi)米子。拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子（屬于一種準(zhǔn)粒子）遵循非阿貝爾統(tǒng)計(jì)，這是一種區(qū)別于玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的新量子統(tǒng)計(jì)，并且由于呈現(xiàn)電中性而不容易受到外界電磁干擾的特性，在未來高穩(wěn)定性的量子計(jì)算中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，馬約拉納費(fèi)米子還可以被用于產(chǎn)生許多新奇的物理現(xiàn)象，如分?jǐn)?shù)化非局域關(guān)聯(lián)和隱形傳態(tài)。粒子物理、凝聚態(tài)物理以及量子物理領(lǐng)域都對馬約拉納費(fèi)米子抱有極大的興趣和探尋熱情，然而一直以來并沒有關(guān)于馬約拉納費(fèi)米子存在的確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
2008 年傅亮和Charles Kane 預(yù)言拓?fù)浣^緣體和s波超導(dǎo)體的界面處會出現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子。隨后幾年中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、瑞典隆德大學(xué)及美國普渡大學(xué)各自獨(dú)立地在3個(gè)實(shí)驗(yàn)中“隱約”發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子的跡象。2014年，普林斯頓大學(xué)利用低溫掃描隧道顯微鏡成功在超導(dǎo)鉛元素板表面的一條鐵元素長鏈的兩端觀察到類似馬約拉納束縛態(tài)的圖像。然而馬約拉納費(fèi)米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡，由于受到當(dāng)時(shí)掃描隧道顯微鏡能量分辨率的限制，渦旋中心準(zhǔn)粒子的最低能量和零態(tài)模無法被有效區(qū)分，因而也就無法提供馬約拉納費(fèi)米子存在的確鑿證據(jù)。
2016 年，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和東京工業(yè)大學(xué)分別獨(dú)立地通過在模型計(jì)算中引入馬約拉納費(fèi)米子成功地在α相的類石墨烯二維RuCl3中觀察到了與Kitaev模型相符的量子自旋液體，間接證實(shí)了馬約拉納費(fèi)米子的存在。如圖4所示，描述了在光子和電子自旋的相互作用下產(chǎn)生2個(gè)馬約拉納費(fèi)米子的過程。2016年，上海交通大學(xué)賈金鋒研究組、浙江大學(xué)許祝安和張富春研究組、南京大學(xué)李紹春研究組及美國麻省理工學(xué)院傅亮研究組等合作，率先觀測到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)。通過最新搭建的40 mK自旋極化掃描隧道顯微鏡在渦旋中心進(jìn)行測量，不僅確切地觀察到了馬約拉納費(fèi)米子的零能態(tài)，并且探測到了其自旋特性和分布特征。這次發(fā)現(xiàn)既為馬約拉納費(fèi)米子的存在提供了確鑿的證據(jù)，也為對其進(jìn)一步地操控提供了更加直接有效的方法。該成果發(fā)表在2016年6月21日《Physical Review Letters》雜志上，并被科學(xué)普及網(wǎng)站The Science Explorer報(bào)道。
圖4 馬約拉納費(fèi)米子一種產(chǎn)生方式的示意
對于幽靈般的馬約拉納費(fèi)米子的尋找一直是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)研究的主題之一，人們期望在如異質(zhì)結(jié)界面、渦旋中心等結(jié)構(gòu)中探測到它的蹤跡。憑借探測技術(shù)的提升，終于在2016年獲得了馬約拉納費(fèi)米子更加直接和確鑿的存在證據(jù)。值得一提的是，在長期的不懈努力和精誠合作下，中國科學(xué)家在其中做出了杰出的貢獻(xiàn)，反映出中國近年在儀器建設(shè)方面取得了長足的進(jìn)展。
在聲學(xué)拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)聲子的量子自旋霍爾效應(yīng)
拓?fù)浣^緣體是一類具有非平庸拓?fù)湫虻牟牧�，它的�?nèi)部是絕緣的但表面卻存在導(dǎo)電態(tài)。雖然普通的絕緣體也可以在表面形成導(dǎo)電層，但是拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)是被對稱性保護(hù)的，這是不同于普通絕緣體的關(guān)鍵地方。電學(xué)意義下拓?fù)浣^緣體的研究范式已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變到光學(xué)、聲學(xué)甚至是力學(xué)，不僅提供了豐富的新物理內(nèi)容，也為未來應(yīng)用開拓了廣泛的方向。
電學(xué)中的拓?fù)浣^緣體具有獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)，使其在自旋電子學(xué)、熱電和量子計(jì)算領(lǐng)域具有眾多潛在的應(yīng)用價(jià)值。最近幾年來，玻色子（如光子和聲子）的拓?fù)鋺B(tài)也引起了人們的極大關(guān)注。例如對于光子，人們相繼提出了光量子霍爾效應(yīng)、光自旋量子霍爾效應(yīng)和光拓?fù)浣^緣體等。而對于在空氣中傳播的聲子而言，一方面由于它是偏振為0的縱波，無法像光拓?fù)浣^緣體那樣利用其偏振特性構(gòu)造一對滿足贗時(shí)間反演對稱的態(tài)，另一方面它對外加電、磁場不響應(yīng)，無法使用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)控，因此要想實(shí)現(xiàn)空氣聲的拓?fù)鋺B(tài)的設(shè)計(jì)極為困難。
2016年，南京大學(xué)陳延峰、盧明輝和劉曉平等的研究首次在聲子晶體上實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)拓?fù)浣^緣體。如圖5 所示：上圖為受拓?fù)浔Ｗo(hù)的聲波波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)模型，由兩種不同原子半徑與晶格常數(shù)比值的聲學(xué)拓?fù)浣^緣體構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單通路的聲波傳輸，即使路徑中存在空位以及局域的晶格無序和彎曲也不會損失信號強(qiáng)度。圖5下部為形成聲學(xué)拓?fù)浣^緣體的能帶變化示意，隨著原子半徑與晶格常數(shù)比值的降低，原先狄拉克雙錐附近的能隙會先閉合形成四重簡并的過渡態(tài)，經(jīng)過能帶反轉(zhuǎn)后再形成新的兩重簡并的導(dǎo)帶和價(jià)帶，至此完成了從普通聲子晶體向拓?fù)渎曌泳w的拓?fù)湎嘧冞^程。
圖5 受拓?fù)浔Ｗo(hù)的聲波波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)模型
此外，他們還巧妙地構(gòu)造了一種X型的分路器模型，使得贗自旋向上和贗自旋向下的聲波具有完全不同的入口和出口通道，因而在空間上分離出向上和向下的兩類聲子。這一結(jié)構(gòu)首次實(shí)現(xiàn)了在不需要激發(fā)和制備出單一聲贗自旋的情況下，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了聲子的量子自旋霍爾效應(yīng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅為聲學(xué)拓?fù)洮F(xiàn)象的研究提供了新路徑，同時(shí)也有望應(yīng)用于未來的噪聲消除技術(shù)。該成果發(fā)表在2016 年8 月29 日《Nature Physics》雜志上。
凝聚態(tài)物理學(xué)在2016年取得了豐富的研究成果，為人類知識寶庫留下豐厚的財(cái)富。而除本文所述的5個(gè)熱點(diǎn)外，其他領(lǐng)域如冷原子、軟物質(zhì)、極端條件、超導(dǎo)、能源材料等方面均有著激動人心的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展，這些研究成果既加深了人類對于物質(zhì)世界的認(rèn)識，也為未來應(yīng)用的萌發(fā)和技術(shù)的進(jìn)步創(chuàng)造了條件。值得指出的是，凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域仍然存在許多亟待理解和解決的物理問題，期待新的一年中凝聚態(tài)物理學(xué)家創(chuàng)造出更加豐碩的成果，為世界增添色彩。
作者簡介：谷林，中國科學(xué)院物理研究所，研究員，研究方向?yàn)樵浑婄R原子尺度表征；劉效治（共同第一作者），中國科學(xué)院物理研究所，博士研究生，研究方向?yàn)橥干潆婄R顯微學(xué)。
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