一项新研究利用韦尔声学晶体证明了声波中的三维量子霍尔效应，标志着科学界首次观测到一维边缘态，为先进声学设备的开发开辟了道路。量子霍尔效应（QHE）是凝聚态物理学的一个里程碑式的发现，是拓扑物理学探索的基础，而将量子霍尔效应推进到三维空间则又是一项令人兴奋而又艰巨的挑战。

其复杂性源于这样一个事实：在三维空间中，朗道水平沿磁场方向演化成带，这阻碍了体隙的形成。

最近，有人在韦尔半金属中提出了一种可行的方案，其相对表面上的费米弧态通过体韦尔点连接起来，形成一个完整的费米环，在磁场作用下，会在相对表面的边界上诱导出一维边缘态。然而，这种独特的边缘态尚未被实验观测到。

山西大学和武汉大学的研究人员在《科学通报》（Science Bulletin）上发表的一篇新论文中，从理论上提出并通过实验证明了韦尔声晶体中声波的三维QHE。尤其是直接观测到了对立面上有趣的一维边缘态。

(a) A-A 叠加六边形晶格示意图。(b) 第一布里渊区和韦尔点的分布。箭头表示通过改变 A 和 B 的现场能量而移动的方向。(d) 不同现场能量的 Weyl 点能量处表面态的等能等值线。(e) 平行四边形结构沿 kz 方向的投影色散。(f) 边缘状态的波函数分布。来源：中国科学出版社

由于磁场对声波没有影响，因此构建了一个伪磁场，其对声波的影响类似于磁场对电子的影响。构建声波 PMF 的常见策略是引入结构梯度。本文通过改变与现场能量相对应的声腔来引入梯度结构。在此过程中，连接韦尔点的费米弧同时沿同一方向移动，从而使体态和表面态感受到相同的伪磁场。在伪磁场的作用下，表面态形成了朗道水平，并在对角铰链附近产生和定位了一维边缘态。

在实验中，利用三维打印技术制作了声学晶体样品，并通过测量样品中的声压场直接观察到了一维边缘态。

"这项研究可能为操纵声波开辟新的途径，为具有非常规功能的声学设备奠定基础。它为探索霍尔物理学提供了一个理想的可调谐平台，并可扩展到其他人工结构，如光学和冷原子系统"。研究人员预测。

该研究得到了中国科技部国家重点研发计划的资助。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.055