💡这项突破是什么?
拓扑Dirac半金属是一种具有三维Dirac点的拓扑材料，其拓扑性质由体-边对应关系描述。然而，对于高阶拓扑材料，体-边对应关系可能失效，而体-棱对应关系则成为描述其拓扑性质的关键。南京大学固体微结构物理国家重点实验室和现代工程与应用科学学院的研究团队通过理论和实验证实了拓扑Dirac半金属中的体-棱对应关系。
图1. 拓扑Dirac半金属的体-棱对应示意图
研究团队首先构建了一个三维Dirac声学晶体模型。其中，一对理想的三维Dirac点受旋转、滑移对称和时间反演对称性保护。通过对比观察侧面和顶面投影的二维表面态，证实了其中不存在体-面对应，即只存在平庸的表面态。当界面有缺陷时，平庸的表面态可被彻底移除或消失，除非在表面引入额外对称性，才可能支持一对螺旋状的表面态（图2）。
图2. Dirac半金属中不具有体-面对应。
将目光投到更高阶的一维棱上时（即二阶拓扑），考虑两类典型的棱型：锯齿（zigzag）和胡须（bearded）。它们可被视为一对互补的棱，比如，一块完整晶体沿x方向截断形成两条棱，若其中一条为锯齿型，另一条则必为胡须型。其实，即便在多种棱型的情况下，一维棱态均可稳定存在，且互补的棱存在于互补的动量区域（布里渊区）。实验上，作者清楚地观测到不同的拓扑棱态均直接联接到一对Dirac点：锯齿棱态穿过布里渊区边界，而胡须棱态则穿过布里渊区中心（图3）。Dirac半金属中的这种体-棱对应关系的实质是：三维Dirac点（体拓扑荷为0）投影到一维棱上时，将分成一对互补的棱态，分别具有相反的棱极化。无论何种棱形貌，都支持一对互补的棱态，受Dirac半金属的拓扑保护而稳定存在。
图3. Dirac半金属中的体-棱对应关系。
本工作通过理论和实验证明了Dirac半金属中的高阶拓扑棱态和三维狄拉克点之间的体-棱对应关系，发现一对互补棱的拓扑棱态位于互补的布里渊区中。这一工作不仅解决了Dirac半金属中普遍关心的体-边对应关系问题，而且为边界调控跨维度的声波传播提供了新的思路。
该项工作于2022年3月16日以Experimental demonstration of bulk-hinge correspondence in a three-dimensional topological Dirac acoustic crystal为题发表在《Physical Review Letters》上。现代工学院硕士生夏楚浩、赖华山和孙晓晨副研究员为共同第一作者，固体微结构物理国家重点实验室的何程和陈延峰为共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.115701
