近日，南方科技大学物理系副教授徐虎课题组在声子拓扑材料的理论研究方面取得重要进展，相关研究成果发表在顶级物理期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)上。
       众所周知，费米子和玻色子等基本粒子在我们对宇宙的研究中起着重要作用。近年来，晶体中非平庸的低能激发让物理学家对量子场论中的基本粒子有了更深刻的理解。例如在高能物理中还未被观测到的外尔费米子却可以在实际材料中的准粒子激发中实现，这也让物理学家和材料学家对这类拓扑材料的探索成为了近几年凝聚态物理和材料科学的研究热点。然而到目前为止，对拓扑材料的研究还主要集中在电子相关的费米子系统，对玻色子系统中的拓扑现象的研究最近才开始被关注，例如光子晶体、声子晶体等人工晶体中的拓扑现象等，但对于太赫兹频段的拓扑声子的研究进展还相对缓慢。在电子相关的费米子体系中，物理学家已成功预测并观测到了第一类和第二类外尔费米子的低能准粒子激发，然而在声子相关的玻色子体系中，第二类外尔声子还未被理论预测和实验观测到。因此，在现实材料中预测并实现第二类外尔声子拓扑是相关领域亟待解决的问题。

图 1 （a）碲化镉的声子谱。（b）局部放大的声子谱。（c）qz=2 pi/a平面的三维声子谱。

       该工作中，研究人员采用基于密度泛函理论的晶格动力学方法研究了碲化镉(CdTe)材料的声子谱（见图1（a）），通过系统分析发现在具有闪锌矿结构的II-VI半导体碲化镉中存在理想的第二类外尔声子(见图1（b）)，并且发现这样的准粒子激发发生于声学支和光学支的交汇处。然后研究人员根据二阶力常数矩阵构造类似于电子系统的Wannier紧束缚Hamiltonian，从而可以获得声子系统的拓扑边缘态和拓扑声子的手性等信息（见图2）。值得一提的是，研究人员发现碲化镉中的第二类外尔玻色子存在于第一布里渊区的边界，并且拓扑表面态在倒空间中特别长，这样非常有利于实验观测。在此基础上，研究人员结合群论和对称性分析，进一步证明了碲化镉中第二类外尔玻色子存在于布里渊区边界的高对称线上，并且即使体系中心反演破缺也可以存在。该工作的研究结果不仅为以后实验研究第二类外尔声子提供了的有价值的候选材料，而且提供了在现实材料中实现对称保护的非平凡声子及相关应用的途径。

 

图 2 碲化镉的声子表面态。（a）（001）表面的投影表面态。（b）（111）表面的投影表面态

       徐虎课题组2016级博士生夏博文和研究助理教授王锐为论文的共同第一作者，南科大为论文唯一通讯单位，徐虎副教授为论文通讯作者。该工作开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、深圳市科创委等项目的支持。

       本文第一作者夏博文除了是2016级南科大-香港科大的联合培养博士外，他还是南科大2012级的本科毕业生，在大三的暑假加入到徐虎课题组。刚进入课题组时，夏博文对计算物理了解甚少，没法做课题，于是他放弃了暑假回家的时间，整个暑假都在学校跟着导师和师兄学习，每晚熬夜到凌晨四五点做测试，在十几天内便掌握了做课题所需要的知识和技能并开始做毕业设计课题。本科毕业后夏博文选择跟着本科导师徐虎继续攻读南科大-香港科大联合培养博士项目，第一年在香港科大完成课程学习后夏博文便回到南科大，在南科大做科研的两年时间内，加入导师徐虎的拓扑研究方向，夏博文主攻拓扑材料的研究，在导师和课题组成员的指导和帮助下，夏博文在磁性拓扑材料和拓扑声子材料方面取得许多重要成果，以第一作者或者共同第一作者发表了3篇Physical Review Letters，1篇Physical Review B(Rapid communication), 1篇 npj computational materials, 还以共同作者身份在Angewandte Chemie, Matter, Nanaoscale, Physical Review B等期刊上参与发表多篇高水平研究论文。
       对话第一作者夏博文：
       Q: 请问当时本科毕业为什么选择南科大的境外联培博士项目？
       A: 我其实是南方科技大学2012级的本科生，是南科大去筹后的第一届学生，也算是南科大的元老级学生吧，本科期间在南科大的学习让我收获很多，我特别喜欢南科大在科研上给学生们的自由，而且导师们水平很高，学校科研资源很好，导师们也很乐意让我们学生做科研并且让我们自由发挥，所以愿意继续留在南科大跟着我的导师做科研，而境外联培这个项目又让我增加了国际视野，感受不同地区的文化差异，一举两得，所以就选择了这个项目。
       Q: 请问你在读博期间或者做科研期间有没有遇到困难或者瓶颈，怎么解决的？
       A: 我觉得做科研本身其实就可以定义为解决一些科学上的问题和困难，所以必须得遇到困难。就拿我做的课题说吧，拓扑材料是最近这些年才被大家广泛关注的一类新型材料，它的很多物性不是能从物理的直觉或者教科书上的知识能简单理解的，需要看很多文献和理论推导得出。我们刚开始做这个课题的时候发现很多东西都无法解释，并且无从下手，大家经常一天看很多文献和讨论很多次。后来经过大家多次的分析和理论推导，解释了我们发现的现象，并且发现许多物理上可循的规律，比如可以从时间反演不变动量点的宇称和晶体对称群操作出发，来分析和搜索具有特定性质的拓扑材料，并以此为据做了很多的尝试和搜索，最后获得了许多重要的结果。

       论文相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.065501