导读

近日，我院祝雪丰课题组与纽约城市大学的Andrea Alù 课题组合作，在声轨道高阶拓扑绝缘体方面取得重要进展，相关工作以“Acoustic Higher-Order Topological Insulators Induced by Orbital-Interactions”为题，于2024年2月22日发表在《Advanced Materials》上。物理学院博士生高峰为论文的第一作者，祝雪丰教授、彭玉桂副教授以及纽约城市大学的Andrea Alù 教授为论文的共同通讯作者。物理学院博士生向霄和硕士生郑辰，中南大学倪祥教授及纽约城市大学Simon Yves博士后对该工作也有重要贡献。华中科技大学为该工作的第一完成单位。

研究背景

拓扑相所揭示的有趣的电子和波输运特性，在量子电路、光子学和声学等领域展现出了广阔的应用前景。在凝聚态物理中，除了自旋和电荷之外，轨道自由度在关联电子和固态材料等体系中，对新的拓扑相揭示有着重要作用，例如轨道超流体和拓扑半金属等。近年来，轨道模式相关的拓扑物理探索已扩展到光子学和电子学等领域。例如，利用耦合微柱阵列构建的光子蜂窝晶格实现了轨道模式相关的边界态和Type-II/Type-III型狄拉克锥等。然而，当前对声高阶拓扑的研究主要聚焦在支持单自由度的s轨道模式，而支持多轨道自由度的高阶拓扑物理尚未在声学系统中得到广泛的探索。

研究亮点

不同于以往单轨道模式声拓扑态的研究，该工作从单声学腔内支持简并正交的p轨道模式出发，并通过具有C3旋转对称和广义手征对称的Kagome晶格及声谐振腔中简并轨道模式相互作用探索声轨道高阶拓扑态的实现(图1)。通过该方案研究团队研究了轨道模式选择性的高阶拓扑角态：Type-I 型和Type-II型角态，系统地阐释了在不考虑单轨道系统中实现Type-II型角态的关键因素-长程耦合作用的情况下，基于轨道模式相互作用形成的新型Type-II角态。

图1：轨道Kagome晶格示意图。

为实验验证轨道模式相互作用诱导的多类型声高阶角态，研究团队通过金属加工制备了图2所示的实验样品。在实验中，为了有效地激发轨道角态，研究团队使用了两组偶极声源。如图2所示，哑铃代表偶极声源，红(蓝)色表示相位0 (π)，旋转箭头表示测量时的声源旋转方向。在对称和反对称激励下，基于不同的源偏振和频率组合，可在Kagome晶格边角处选择性激发四种高阶拓扑角态。

图2：轨道模式选择的高阶拓扑角态的实验表征。

总结与展望

在这项工作中，研究团队引入简并的p轨道，系统地探索了轨道模式依赖的高阶声拓扑现象，通过实验证明了声学Kagome晶格中存在异于单轨道系统的拓扑特性，基于频率和源偏振来组合，可以选择性激发这些新型高阶拓扑角态。此外，正交简并p轨道提供了一种观测BIC类似的拓扑边界态的方法，实验上这些边界态被证实具备高Q因子。该工作将单轨道自由度高阶拓扑绝缘体扩展到了声学多轨道自由度体系，为轨道模式依赖的拓扑物理和声与结构相互作用提供了研究平台，为能量捕获和传感等的轨道模式选择性功能器件提供了新途径。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312421