Science Advances：鈣鈦礦氧化物中預言光對拓撲聲子的調製

1. 背景介紹：

鈣鈦礦氧化物ABO3種類繁多、結構豐富，擁有多樣的物理性質，可以實現鐵電、多鐵、超導、壓電等特性，涉及到固體物理的眾多領域。然而，由於其電子結構帶隙較大，不利於能帶反轉從而在電子結構中實現拓撲性質，因此鈣鈦礦氧化物的拓撲相從來沒有被報導過。尋找鈣鈦礦中的拓撲聲子，不僅可以探索這個傳統材料中新的物理性質，還能探索拓撲相和其他相(超導相、鐵電相、多鐵相等)之間的耦合，從而拓展鈣鈦礦的研究和應用前景。拓撲聲子在不同晶格結構、不同化學組分的鈣鈦礦氧化物中廣泛存在，並且可以通過改變光照、應變、溫度和壓強等手段可以調控鈣鈦礦的拓撲性質，甚至可以在不發生結構相變的情況下實現拓撲相變，精確控制外爾點(Weyl point)的產生和湮滅，以及節點線(nodal line)和節點環(nodal ring)之間的轉換，讓古老的鈣鈦礦成為調控拓撲性質的嶄新平臺。鈣鈦礦氧化物中拓撲聲子的發現不僅可以為相關材料中的超導、熱霍爾效應等輸運性質的理解提供新的研究平臺，也有可能實現可控拓撲量子態等新應用提供了材料平臺。

最近，劍橋大學卡文迪許實驗室Bartomeu Monserrat博士課題組與東京工業大學物理系村上修一課題組合作，採用第一性原理計算，並結合群論分析和對稱性指標理論，發現氧化鈣鈦礦中的拓撲聲子無處不在，並且可以通過改變光致載流子濃度調控這些拓撲量子態。該研究發現，BaTiO3、SrTiO3和PbTiO3等氧化物鈣鈦可以在四方相、正交相和菱方相等不同晶體結構中實現外爾點、節點線和節點環等多種拓撲聲子態，而且這些拓撲態的產生、湮滅和相互轉換可以被應變和溫度等外界環境調節。此外，該研究提出了一種調控拓撲量子態的新方法——光照。光照可以改變電子態，進而影響電子和晶格之間的相互作用，改變晶格振動模式，從而調控聲子譜中的拓撲相變。相關工作於北京時間2020年11月11日以「Topological phonons in oxide perovskites controlled by light」為題，發表在Science Advances上，劍橋大學卡文迪許實驗室博士生彭博為該論文第一作者，東京工業大學張田田特聘助理教授和劍橋大學Bartomeu Monserrat博士為該論文通訊作者。

2. 圖文導讀:

眾所周知，鈣鈦礦氧化物ABO3在高溫下具有立方結構，可以通過改變溫度實現結構相變。以BaTiO3為例，立方相BaTiO3在低於393 K時發生結構相變成為四方相，如圖1 (a)所示。隨著溫度進一步降低，四方相BaTiO3變成正交相(183-278 K)，最終再變成菱方相(< 183 K)。由於溫度相變的影響，四方相BaTiO3的聲子譜在簡諧近似下具有虛頻，只有考慮溫度效應的影響加入非諧效應，才能得到穩定的聲子譜，如圖1 (b)所示。除溫度外，光照同樣可以引發結構相變。圖1 (c)表明改變光生載流子濃度可以影響電子和晶格的相互作用，改變晶格勢能面，從而穩定圖1 (d)的聲子譜。

圖1. 氧化物鈣鈦礦BaTiO3的晶格結構和聲子譜。(a) 高溫相和室溫相的BaTiO3；(b) 四方相BaTiO3在簡諧近似和300 K下的聲子譜；(c) 光照改變四方相BaTiO3的晶格振動勢能面；(d) 光生載流子濃度0.06 e/f.u.時的聲子譜；(e) 布裡淵區中的拓撲聲子，包括節點線、節點環、外爾點和三重簡併外爾點。

相比於溫度，光照可以產生大量自由載流子，屏蔽長程庫侖相互作用，從而抑制鈣鈦礦裡的縱光學聲子和橫光學聲子之間的劈裂（LO-TO劈裂）。LO-TO劈裂會破壞布裡淵區中心附近聲子譜的簡併，不利於聲子拓撲態的產生。由於光照可以抑制LO-TO劈裂，光照下的聲子譜比300 K的聲子譜擁有更多種拓撲量子態。如圖1 (d)和(e)所示，在光生載流子濃度0.06 e/f.u.（電子/分子式）時，可以從聲子譜中找到節點線、節點環、外爾點和三重簡併外爾點。其中，節點線和節點環受到晶格對稱性的保護，而外爾點則被拓撲保護。隨著載流子濃度的變化，聲子譜也會發生改變，從而調控這些拓撲量子態的產生、湮滅和相互轉換。以外爾點為例（圖2），在濃度0.05 e/f.u.時會產生4對外爾點，在0.0695 e/f.u.時產生另外4對新的外爾點，隨著載流子濃度進一步增大，這兩組8對手性相反的外爾點會分別互相靠近直至相遇而湮滅。

圖2. 四方相BaTiO3的光控外爾聲子。(a) 利用對稱性指標理論分析外爾點；(b) 改變光生載流子濃度控制外爾點的產生和湮滅；(c) 外爾聲子的拓撲表面態。

不同種類的拓撲聲子可以在不同組分、不同晶體結構的鈣鈦礦氧化物中共存，並且可以被光照、溫度和應變等外界環境調控。除了四方相外，正交相和菱方相BaTiO3也可以實現光控拓撲聲子。此外，施加應變同樣可以改變拓撲量子態。相同的結論同樣適用於不同組分的SrTiO3和PbTiO3。如圖3所示，在四方相PbTiO3中，可以實現形貌不同於BaTiO3的節點線、節點環和外爾聲子。

圖3. 四方相PbTiO3的拓撲聲子。(a) 光生載流子濃度0.025 e/f.u.時的聲子譜；(b) 布裡淵區中的拓撲聲子；(c) 外爾聲子的拓撲表面態。

3. 總結和展望:

該項工作採用第一性原理計算，發現了氧化鈣鈦礦中普遍存在拓撲聲子，提出了調控拓撲量子態的新方法。為實驗觀測和調控氧化鈣鈦礦中的拓撲聲子提供了理論計算基礎。與此同時，由於鈣鈦礦本身具有很多獨特的物理性質，有拓撲聲子的加入，也許可以產生新的物理現象。另外，拓撲聲子還可以為鈣鈦礦氧化物中的超導、熱霍爾效應等提供新的理解視角。此外，拓撲聲子本身有可能具有很多獨特的性質，比如產生贗規範場、負折射、非線性響應和單向輸運等性質，我們預期通過光控拓撲聲子，可以精確控制這些性質，從而有可能實現光控神經網絡計算等應用。

論文連結：

Bo Peng, Yuchen Hu, Shuichi Murakami, Tiantian Zhang*, Bartomeu Monserrat*, Topological phonons in oxide perovskites controlled by light. Science Advances 6 (46), eabd1618 (2020).