基于非点群对称性拓扑光/声子晶体的研究

With the rapid development of topological electronics, the studies of topology properties in electronic system have been spread to the classical wave systems, e.g., electromagnetic waves and acoustic waves. So far, to enrich the realization of classical wave systems with topological properties and to excavate the new topological states are research hotspots in these fields. By constructing the tight binding model with glide symmetry and screw symmetry, respectively, this proposal will study the general mechanism of band engineering with nonsymmorphic symmetry. Then according to the simulation results as well as the theoretical analysis methods, this proposal will construct photonic/sonic crystals with nonsymmorphic symmetry to uncover its specific mechanism in realizing the topological photonic/sonic crystals. Finally, this proposal will further explore the high order topological states and their physical effects in the photonic/sonic crystals with nonsymmorphic symmetry. The implementation of this proposal has important theoretical significance for enriching the realization of topological classical systems, as well as exploring exotic topological states.

随着拓扑电子学的快速发展，电子能带拓扑性质的研究已经被推广到经典波动系统中，如电磁波及声波系统。进一步丰富拓扑经典波动系统的实现手段以及挖掘新型拓扑态是目前该领域的研究热点。本项目拟分别通过构建具有滑移反映对称性及螺旋转动对称性的紧束缚模型，研究非点群对称性在能带调控方面的一般机制，然后设计具有相应对称性的光/声子晶体，根据数值计算结果并结合多种理论分析方法，揭示非点群对称性在实现拓扑光/声子晶体中的具体机制；最后还将进一步探索非点群光/声子晶体中的高阶拓扑态及其物理效应。本项目的实施对于丰富拓扑经典波动系统的实现手段以及探索新型拓扑态，具有重要的理论研究意义。

随着拓扑电子学的快速发展，能带拓扑性质的研究已经被推广到以电磁波/声波为代表的经典波动系统中。进一步丰富拓扑经典波动系统的实现手段以及挖掘新型拓扑态是目前该领域的研究热点。本项目围绕“受非点群对称性保护的新型的光/声学拓扑态”这一研究主题展开理论设计与研究，并对理论模型预言的新型拓扑物态进行实验观测，最终对其潜在的应用展开讨论。在理论研究成果方面，通过构建包含非点群/点群对称性的紧束缚模型，预言了三种新型拓扑物态，包括：高阶Weyl半金属、层级多极子拓扑绝缘体和Dirac拓扑节线；通过对称性联系不同光子晶体间高阶拓扑相的表征，揭示了受对称性保护的高阶拓扑相变的一般规律。在实验成果方面，通过3D打印技术结合泵浦-探针测量方法，观察到声学高阶Weyl半金属二维表面上共存的手性费米弧态和一维铰链边界上的带色散的铰链弧态，从而证明了Wey半金属中的高阶拓扑物理；通过kagome光子晶体样品制备及微波探测，实现了基于高阶拓扑角态的彩虹陷光效应，给出了未来高阶拓扑物理一个重要应用方向。. 项目执行期内，共计发表SCI论文13篇，其中第一/通讯作者共9篇，包含Physical Review Letters 1篇，Nature Materials, Nature Communications, Nature Review Physics及Photonics Research各1篇；受邀完成了6个报告，其中4次在国际会议上作口头/邀请报告；培养研究生共6名，其中已毕业1名，在读研究生5名。