首次實現！近日，江蘇這個團隊取得重要進展，成果登上《自然》子刊！

近日，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、現代工程與應用科學學院、人工微結構科學與技術協同創新中心何程、陳延峰研究團隊在《Nature Communications》（《自然·通訊》）雜誌上在線發表了題為&34;的文章。現代工程與應用科學學院的何程、碩士生賴華山、何博為論文的共同第一作者；何程和陳延峰是論文的共同通訊作者；餘思遠，許相園，盧明輝對本文亦有重要貢獻。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

信息處理和存儲技術的發展對集成器件的性能提出了更高的要求。在傳統的集成器件中，由於加工過程中不可避免的缺陷和雜質，使得波在傳輸過程中存在著背向散射損耗，因而降低了器件的傳輸距離和效率。拓撲材料以其獨特的缺陷免疫和背散射抑制特性為克服這一困難提供了方案。拓撲物理的研究始於電子系統，而近十餘年來，研究人員將其推廣到了光、聲、機械等經典波領域，並且成功實現了多種類型的光/聲拓撲態。比如背散射抑制和抗輻射損耗的光/聲波導，任意形狀的高效率、低閾值的拓撲雷射等等。最近，三維聲/光拓撲絕緣體備受關注。相比於二維系統，三維系統多出了一個空間自由度，具有更多的結構類型和對稱操作可供選擇與調控。此外，根據拓撲材料&34;，在三維拓撲絕緣體中，不僅可以得到拓撲保護的二維表面態（一階聲拓撲絕緣體），用於實現一些如折射、成像等一維波導無法實現的拓撲現象和功能；也可以得到更低維度的一維稜態（二階）和零維角態（三階）。這為多維度調控聲波傳播提供了新的可能。

研究團隊在前期二維聲拓撲絕緣體取得突破後[Nat. Phys. 12, 1124 (2016)]，一直致力於三維聲拓撲絕緣體的設計和研製。然而，實現三維聲拓撲絕緣體的條件甚為苛刻，需要同時滿足以下三個條件：1）在三維構建聲人工自旋；2）破缺對稱性以形成三維全帶隙；3）改變層間和面內&34;間的耦合以實現能帶反轉。前期的研究表明，僅通過二維結構的堆疊而構建三維拓撲聲子晶體，可實現一些其它類型的三維聲拓撲材料[Nat. Commun. 9, 4555 (2018)；Phys. Rev. Lett. 123, 195503 (2019)]，卻很難同時滿足上述三個條件，得到具有完全線性（狄拉克錐形）表面色散的三維聲拓撲絕緣體。經過三年多的努力，研究團隊摸索了一條&34;的設計方案和技術路線，精準地控制三維聲拓撲能帶結構，從而取得了突破。

在這個工作中，利用 z 方向布裡淵區摺疊機制，將由單層手性結構元胞構成的三維聲子晶體[點式空間群 No.168 (P6)]擴展為雙層元胞[非點式空間群 No.173(P63)]，構建了一個額外的螺旋對稱操作。此時，體能帶中兩個拓撲荷相反的外爾點將折成一個四重簡併的三維狄拉克點。之後，通過調節層間耦合破壞半周期的平移對稱和螺旋對稱，可以打開簡併形成三維拓撲全帶隙[變回No.168 (P6)空間群]。因此，在這類材料的界面上（xy或yz平面），可以得到無能隙的二維拓撲表面態。為了精細研究聲拓撲態，還發展了三維聲場掃描技術，在xy平面測得了無能隙的二維聲表面狄拉克錐。

值得注意的是，由於該系統保持了時間反演對稱性，所以在xy投影面有兩個表面狄拉克錐，分別位於K點和K’點。因此，可利用三倍超元胞結構，通過xy平面內的能帶摺疊機制，將這兩個表面狄拉克錐摺疊到Γ點形成四重簡併的聲表面態。再通過調節元胞內耦合和元胞間的耦合強度，使得表面態能帶發生反轉，從而打開二維拓撲表面態能隙，實現了一維無能隙的拓撲稜態，即三維二階聲拓撲絕緣體。在理論方面，通過多種理論方法分析了聲三維體能帶與二維拓撲表面態和一維拓撲稜態的&34;拓撲對應關係。研究發現，由於與電子系統具有內稟自旋不同，聲的1/2自旋是人工設計的對稱性構造的，因此，聲拓撲邊界態與邊界狀況有關。實驗上測量的沿x方向一維稜穩定傳輸的聲透射譜顯示，只有在上表面存在沿x方向的無能隙的一維拓撲稜態。

這一工作是集模型設計—理論分析—材料製備—聲場測量幾個方面緊密結合的結果，重要意義在於：1）首次實現了三維聲拓撲絕緣體以及高階聲拓撲絕緣體，進一步展示了微結構聲子晶體可為研究和探索玻色系統中新型拓撲物態提供一個方便和可控的材料系統，同時發展了聲學拓撲材料的範圍和聲操控的維度，可應用於聲傳播調控和隔聲降噪等領域；2）聲拓撲絕緣體的設計採用對稱性重構和破缺的方式，這種方式也適用於其它超構材料系統中；3）基於三維手性晶格對稱性構建了人工聲自旋，可用於實現空氣聲的類磁響應。

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部分素材來源：南京大學新聞網