高阶拓扑物态的性质和应用

In the recent two years, higher-order topological phases of matter, including higher-order topological insulators, higher-order topological superconductors, higher-order topological semimetals and so on, have emerged as a new and important direction of condensed matter physics. Thus far, the understanding of higher-order topological phases of matter is still quite immature and many key questions remain to be studied and clarified. In this project, we will focus on the following important questions, including: (1) realizations, novel properties and applications of higher-order topological phases of matter; (2) Realizations and novel properties of higher-order Floquet topological phases of matter; (3) The quench dynamics of higher-order topological phases of matter. An in-depth study of these questions will deepen our understanding of higher-order topological phases of matter, as well as the conventional ones. This project, on one hand, is of great importance in theory; on the other hand, it can prompt the experimental research and the final application of higher-order topological phases of matter.

高阶拓扑物态，包括高阶拓扑绝缘体，高阶拓扑超导体，以及高阶拓扑半金属等，是近两年来凝聚态物理中重要的新兴方向，目前对高阶拓扑物态的理解和认识还处在比较初级的阶段，还有许多关键问题需要研究清楚。本项目将研究如下关于高阶拓扑物态的关键问题：(1)高阶拓扑物态的实现、性质和应用； (2)高阶Floquet拓扑物态的实现和性质；(3)高阶拓扑物态的淬火动力学。我们将对这些问题深入研究，加深对高阶拓扑物态和传统拓扑物态的整体认识。本项目的研究内容一方面具有重要的理论意义，另一方面也会推动高阶拓扑物态的实验研究和最终的实际应用。

拓扑物态的研究已经成为凝聚态，光学、声学等领域的重要研究分支。拓扑物态，由于其能带具有非平凡的几何和拓扑性质，可以呈现出非常丰富又独特的性质，在传输方面，以及量子计算方面都具有非常有吸引力的应用价值。本项目中的研究内容——高阶拓扑物态——是传统拓扑物态的延申和拓展。由于呈现出新型的体-边对应关系，高阶拓扑物态近年来成为多学科研究的重要方向。本项目旨在研究关于高阶拓扑物态的一些关键问题，包括高阶拓扑物态的实现，性质和应用。通过研究，取得了系列富有价值的成果。代表性成果包括提出系列实现高阶拓扑超导态的理论方案（PRL 125, 017001 (2020), PRB 103, 064512 (2021) 等），这些理论方案对实验上如何实现以及如何判定高阶拓扑超导均具有重要的指导意义；发现（高阶）拓扑半金属超导后可以通过涡旋实现马约拉纳零能模（PRL 124, 257001 (2020)），而如果超导配对是非常规超导配对，可实现马约拉纳棱模（PRB 105, 014509 (2022) ），在拓扑半金属和拓扑超导两个活跃的领域之间建立起新的联系；研究了铁基超导中二阶拓扑对涡旋拓扑性质的影响，发现涡旋中的马约拉纳零能模会和二阶拓扑的马约拉纳棱模耦合，导致涡旋中零能模发生能量劈裂，从而可以理解铁基超导中部分涡旋没有观测到零偏压电导峰的实验结果（PRB 103, L140502 (2021) ）；发现晶格子格可以对高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态位置产生巨大的影响（PRB 106, 085420 (2022)，PRB 106, 245418 (2022) ），这个性质一方面深化了对高阶拓扑物态中边界态性质的认识，另一方面对未来如何操纵和应用高阶拓扑物态中的边界态也具有重要的指导意义。在执行和完成本项目的过程中，根据研究成果正式发表的论文有14篇，其中有4篇论文发表在一区期刊上，研究成果被引用总次数已超过100次（Google Scholar），在国内外高阶拓扑物态研究领域产生了一定的学术影响。