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科学家首次直接观测非阿贝尔拓扑荷

2021-06-11 中国科学报 唐凤
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  香港科技大学教授陈子亭团队领衔,与香港大学教授张霜和国防科技大学副研究员杨镖等合作,通过构建空间和时间反演对称保护的传输线网络,直接实验观测到了一维能带系统中的非阿贝尔拓扑荷,并将其清晰地映射到本征坐标架球面上。相关论文近日刊登于《自然》。

  研究人员表示,该系统与阿贝尔群描述的拓扑系统不同的是,不同拓扑相之间转换的路径不再是唯一的,这使得体—边对应更为复杂。该研究同时也提出了非阿贝尔体—边对应,提供了边界/畴壁态分布的全局视图。

  对于一个空间和时间反演对称性保护的具有3条不简并能带的一维体系,其拓扑分类是一个四元数群,该群有5个共轭类:+1、±i、±j、±k、-1。研究人员构造了一系列具有不同四元数拓扑荷的传输线网络。实验中,他们测量每个节点的电压,经过傅里叶变换,得到了不同拓扑荷的布洛赫能带以及本征态,观察到了对应的本征态旋转,还测量了它们的边界态。

  研究还发现,对于非阿贝尔拓扑荷这样的一维体系,两个系统之间的拓扑边界态则需要通过两个拓扑荷之间的商来预测。例如,如果把属于分类+i和分类+j的两个样品放在一起,根据群商关系+i/+j=-k,其边界态的分布应该和-k的边界态一致,这被称之为非阿贝尔商准则。对于这个结论,研究人员表示从传统拓扑理论出发,把每个带隙的Zak相位标出来,然后通过穷举法,把可能的两两组合情况进行验证,发现都符合该准则。

  该项研究实验上首次观测到了非阿贝尔拓扑荷,并提出和证实了非阿贝尔拓扑荷对应的体—边对应准则,该准则可以被推广到任意多能带的非阿贝尔体系,为今后非阿贝尔拓扑领域的研究提供了建设性的指导。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03521-3

打印 责任编辑:阎芳

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