文章导读
困扰物理学界二十年的卫星狄拉克锥，终于被武汉大学刘正猷团队"抓"到了！这项发表于《自然·通讯》的突破性研究，首次在声子晶体中成功观测到曾被认为"难以捕捉"的卫星狄拉克锥——当声学谐振腔引入特殊耦合时，动量空间竟浮现出中心与环绕的三重狄拉克锥结构。更惊人的是，它催生出多能谷声学带隙，让声波能在分束器中同时实现谷极化分流与反转传输。这意味着未来高通量、抗干扰的声学信号传递将迎革命性方案，为超材料设计开辟全新路径。一窥拓扑声子晶体的前沿突破，就在眼前。
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（通讯员物轩）近日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了物理科学与技术学院刘正猷院士团队最新研究成果，论文题目为“Satellite Dirac cones in phononic crystals”（《声子晶体中的卫星狄拉克锥》），武汉大学为唯一署名单位，物理科学与技术学院2023级博士生刘涵为第一作者，教授陆久阳、邓伟胤与刘正猷为共同通讯作者。论文作者还包括博士生席宇翔、邵港桥、张寅飞，以及研究员何海龙、副研究员叶莉萍和教授柯满竹。
在层状堆叠的石墨烯中，二次型狄拉克锥是一种新奇的电子能带结构，这种电子结构是不稳定的，在微小的次近邻层间耦合的影响下会演化为一个中心的线性狄拉克锥，同时周围还会出现三个额外的线性狄拉克锥，被称为卫星狄拉克锥。尽管这一概念早在二十年前就被提出，但卫星狄拉克锥的实验识别极具挑战性，其直接的光谱观测仍难以实现。
研究人员在单层蜂窝晶格声学谐振腔中同时引入弱的最近邻耦合和很强的三次近邻耦合，便成功观测到声学频带的卫星狄拉克锥（见图1）。由于卫星狄拉克锥的存在，动量空间的能带拓扑绕数也更丰富，这使得实空间中的声子晶体能够在特定的边界上支持多重声学边界态（见图2）。进一步引入子格声学腔的高度调制，将卫星狄拉克锥破缺为卫星能谷，其表现为位于布里渊区角点处的能谷与三个环绕其周围的相反Berry曲率的卫星能谷。这种多能谷声学带隙可以支持多支具有不同能谷极化的声学界面传输模，并且能够在典型的声学四端口分束器中同时实现保持谷极化的侧向分流与谷极化反转的前向传输（见图3）。该工作启发了人们对超材料中远距离耦合效应的充分设计和调控，其设计有望进一步缩小到片上尺度，为高通量、抗干扰的信号传递与识别提供解决方案。
图1：声子晶体样品与声学卫星狄拉克锥的实验观测
图2：声学拓扑边界态与声学频带拓扑绕数的测定
图3：声学卫星能谷拓扑输运
此外，团队近期在拓扑声子晶体的其他领域取得了系列显著性成果：在三维声子晶体中发现并观测到了同时存在的二维面拓扑BIC和一维棱拓扑BIC[Phys. Rev. Lett. 135, 126602 (2025)]（第一单位）；在声子晶体中实现了三维能谷霍尔相[Phys. Rev. Lett. 134, 216601 (2025)]；在二维非厄米声子晶体中发现了同时存在的一阶和二阶“趋肤模式”[Phys. Rev. Lett. 134, 176601 (2025)]；在三维非厄米声子晶体中实现了奇异线型半金属，并观测到了与几何形状相关的“趋肤效应”[Phys. Rev. Lett. 134, 116606 (2025)]（第一单位）；在六边形声子晶体中设计并实现了包含滤波器、阀门和分路器的声学能谷器件[Adv. Mater. 37, 2500757(2025)]（第一单位）。
以上研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目等基金资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67305-3
（供图：物理科学与技术学院 编辑：赵冀帆）
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这个实验设计真巧妙，声学还能玩出拓扑花样👍