The Innovation | 拓扑声子材料

导 读

中科院金属所陈星秋团队关于材料拓扑声子计算和数据库建设的perspective文章表明：拓扑声子材料广泛存在于自然界中，几乎所有材料体系中都可以找到拓扑声子。此前，科学家预测的拓扑声子材料只有10多种，而这项工作从13,000多个材料中筛选出的拓扑声子材料高达5014个，为拓扑声子材料的研究提供了可观的备选体系。能量和信号可以利用拓扑声子产生的表面态或边缘态实现低耗散的定向输运，如在太赫兹红外热隐身和高品质量子通信光源等方面具有颠覆性应用潜力。

图1 图文摘要

拓扑声子是拓扑材料领域近期发展起来的新方向。与电子一样，固体材料中的声子也具有拓扑性，其与材料的比热、导热、电声耦合等性质密切相关。因拓扑性的保护，体拓扑声子会在材料表面或者边缘激发非平庸拓扑声子表面态，由此展现出许多奇异物性。到目前为止，拓扑单外尔声子、双外尔声子、声子直线态和声子节线环以及多重声子简并态等已经在固体晶体材料中被揭示。基于拓扑理论，本文开发了高通量拓扑声子计算软件包HT-PHONON，实现了固体晶体材料声子力常数的全自动获取和拓扑声子特性的高通量分析，构建了材料声子和拓扑声子的数据库。目前，数据库包含5014个无机材料及500多种金属合金的近30万条拓扑声子数据，并对其进行了合理归类和分析。

拓扑学是数学的一个重要分支，是研究几何图形或空间在连续变形后保持不变性质的学科。近年来，由于贝里相位的深入研究，拓扑学被引入到材料的电子和声子的研究中并催生了一系列拓扑电子和声子材料的发现。然而，在2017年之前，拓扑材料的研究主要集中在拓扑电子，固体材料中拓扑声子的研究还处于空白状态。

图2 石墨烯声子谱及其狄拉克声子态的振动模。

(a) 石墨烯声子谱及其上的狄拉克声子和节线环声子；

(b) 狄拉克声子1(DP1)的两个振动模；

(c) 狄拉克声子2(DP2)的两个振动模。

声子是凝聚态物质中最常见的粒子之一，是一种集体激发的准粒子，是晶格振动能量量子化的体现，与材料的热学、光学、电学和力学等基本物性密切相关。拓扑声子展现了与拓扑电子相似的材料表面或边缘非平庸拓扑态。因此，拓扑声子材料具有非常诱人的应用前景。

与电子不同的是，声子系统不受泡利不相容原理和费米能级的限制，这为其研究工作带来了困难。如何通过高通量计算把数以万计的实际材料的拓扑声子态刻画出来是一个亟需解决的问题。研究人员主要面临两个方面困难：第一，声子的计算耗时耗力，无论是使用密度泛函微扰理论还是使用有限位移法，采用第一性原理准确计算大量材料的声子力常数是一个十分巨大的挑战；第二，由于声子服从玻色爱因斯坦分布而非费米狄拉克分布，全频域拓扑分析要比拓扑电子体系只关注费米能级附近拓扑态的分析高出多个数量级，如何开发高效的全频域拓扑分析手段是另一个挑战。

图3 石墨烯的拓扑声子激发的非平庸边缘态。

(a) 石墨烯纳米带边缘的拓扑声子的振动模；

(b) 石墨烯纳米带声子谱，在频率15THz和28THz-30THz均显示了边缘的非平庸拓扑声子态。

基于以上挑战，研究人员优化了拓扑不变量的计算流程，实现了高效、便捷的拓扑分析，开发了高通量拓扑声子计算软件包HT-PHONON。该软件包可以实现从声子力常数到拓扑不变量的计算分析，从拓扑声子精确位置到类别刻画（如石墨烯，见图2和图3），以及从拓扑特性到表面态的高通量全自动计算。在高通量计算过程中，研究人员发现了许多新奇的拓扑声子材料，如322个理想的拓扑外尔声子材料（不与其它的声子谱相交叠）、沙漏型拓扑声子材料和多重外尔声子材料等；阐述了不同类别的拓扑声子发生的条件和它们彼此之间的关联；澄清了时间反演或者空间反演对称破缺、或非点式空间群（螺旋轴或滑移反映面）等操作对产生奇特拓扑声子态的关键作用和相互关系；在TeO₃等材料中揭示了受非点式空间群保护的沙漏型拓扑声子；在LiCaAs和ScZn等材料中揭示了恰好在声学支和光学支交叉处存在的拓扑声子态，并发现其具有显著增强声子散射的作用；在非传统超导体AuBe中发现了三重和四重外尔声子共存、表面会产生极长的受拓扑保护的声子弧态等新奇物态。

目前，研究人员还实现了在线拓扑声子数据的通用化、便捷化和可视化，建立了拓扑声子材料数据库，其中包含该工作5014个材料的30多万条数据，网址为www.phonon.synl.ac.cn，可在线查询和使用。

总结和展望

据悉，这项工作还在不断进展当中，由于材料声子的计算耗时耗力，即便采用高通量计算仍需2-3年时间方能完成，预计最终完成时，数据库将包含3万多个拓扑声子材料的数百万条数据。拓扑声子材料数据库的构建一方面解决了声子力常数难以获取的问题，另一方面也为材料声子和拓扑声子的研究提供了大量的备选材料，从而推动相关领域的发展。对于未来的工作，陈星秋研究员谈到：“拓扑声子材料领域内目前急需研究拓扑声子态与材料的哪些关键物性相关联，并阐述它们之间的作用机制，比如拓扑声子与拓扑电子之间的相互作用，拓扑声子对热电材料的影响等；另外，也急需推动相关现象的实验验证和应用探索。我们也将会完善并依托已有的拓扑声子材料及数据库，进一步在拓扑声子材料的实验和应用方面下功夫，能量和信号可以利用拓扑声子产生的表面态或边缘态实现低耗散的定向输运，如在太赫兹红外热隐身和高品质量子通信光源等方面具有颠覆性应用潜力。”

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00059-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第三期以Perspective发表的“Topological phononic materials: Computation and data” (投稿: 2021-03-18；接收: 2021-04-10；在线刊出: 2021-06-12)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100134

引用格式：Chen X., Liu J., Li J. (2021). Topological phononic materials: Computation and data. The Innovation. 2(3),100134.

作者简介

陈星秋，维也纳大学理学博士，中科院金属所研究员，沈阳材料科学国家研究中心材料计算与设计研究部主任。先后在维也纳大学计算材料科学中心和美国橡树岭国家实验室材料科学与工程研究部从事博士后研究。2010年加入中国科学院金属研究所。研究方向为合金计算设计及相应的模型、方法和应用探索研究，主要在先进结构材料和拓扑量子材料方向开展工作。承担了国家杰出青年科学基金、参与了科技部重点研发计划项目和中科院战略先导项目等课题10余项，先后入选中科院“百人计划”和国家“万人计划”科技创新领军人才。现任Journal of Materials Science & Technology和Science China-Materials等5个国内外期刊的编委或学科编辑、中国材料学会计算材料学分会委员。曾多次参与组织国际和国内会议，并在国际会议上做大会报告和特邀报告50余次，主要在Phys. Rev. Lett.和Phys. Rev. B，并与实验合作在Nature、Science、Nature Materials等期刊发表论文百余篇；其中，单篇引用超千次的论文有2篇，是科睿唯安公布的材料科学领域中国高被引学者。

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