《国家科学评论》:声子的Berry相位与拓扑效应

邓文龙

作者：徐勇等 来源：《国家科学评论》

发布时间：2017/10/24 14:10:02

声子的Berry相位与拓扑效应

声子是晶格振动的元激发，是固体中热输运的主要载体。许多重要的实际应用与器件（如集成电路的散热、热障涂层、热电效应、热二极管、热三极管等）都需要有效地控制声子输运，与之相关的研究构成了现代物理学的一大分支——声子学。另一方面，新型拓扑量子物态的发现，如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属等，从根本上改变了人们对电子态的认识，并对电子学、自旋电子学、拓扑量子计算等领域产生了革命性的影响。最新的研究工作将拓扑的物理概念引入声子学，利用Berry相位、拓扑等新奇的量子自由度，实现全新的声子操控，因此诞生了一个新兴的研究领域——拓扑声子学。

《国家科学评论》最近发表了清华大学物理系徐勇博士、段文晖教授课题组共同撰写的题为“Berry Phase and Topological Effects of Phonons”的观点文章。这篇文章从基础理论到潜在应用，概括了声子的Berry相和拓扑效应的最新研究进展。通过引入声子的类薛定谔方程，许多拓扑的物理概念能从电子直接推广到声子。然而，声子体系与电子体系有着本质的区别：声子满足玻色-爱因斯坦统计分布，不同频率的拓扑能隙因此都能被物理观测。该文章还讨论了对称性与声子拓扑的相互作用。以二维蜂窝状晶格为例，时间反演对称破缺会产生具有非零拓扑陈数的声子态，即声子的类量子霍尔态，具有单向导通的不受散射的声子边界模式；空间反演对称破缺会产生具有非零Berry相的谷，可用作调控声子输运的新型量子自由度，即谷声子学；两种对称性破缺机制相互竞争，能导致拓扑相变并演生出丰富的声子拓扑量子态。

除此之外，该文章还展望了拓扑声子学在未来声子器件方面的潜在应用，包括低耗散的声子输运通道、高效率的声子二极管和谷声子学器件等。拓扑声子学给未来声子学基础研究和器件应用带来了概念性的创新，有望产生重要突破。（来源：科学网）

https://academic.oup.com/nsr/art ... -effects-of-phonons

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201710241410264045027.shtm



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邓文龙

《自然》 要览：迎接声子学时代的到来 - natureasia.com :

2013年11月14日 - 在声子学的工程研究领域，对传播声音和热量的机械振动（声子）的控制扮演一个中心角色。同光子和电子一样，声子在很多情况下也可被当成粒子

http://www.natureasia.com/zh-cn/nature/highlights/49185



声子学

开放分类：科学

声子学，是一门新兴学科。声子也被称为热晶体，这一领域旨在探索怎样以特定的频率来引导热流，从而能像控制声波和光波那样控制热量波。

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目录
1科学建立
2研究领域
3原理
4应用

科学建立/声子学
声子
声子图册
由于热和声音都是振动，为方便研究，物理学家在几十年前构想出一种虚拟的基本粒子：声子（Phonon）。声子可以被理解为分子热振动能量的具象化，在半导体材料里，声子流就是热流。[1]
声子、光子或电子，都是能像波一样传播的物理粒子，也代表着一种机械振动。声子传播着每天的声音和热量。声子学研究已取得很大进步，科学家利用声子特性控制声音和热量，带来了许多新理念和新设备。[2]

研究领域/声子学
美国佐治亚理工大学科学家在《自然》杂志上发表述评文章，介绍了目前一门新兴学科——声子学的八个主题领域，八个主题领域是音波与热学二极管、光力晶体、声波与热“斗篷”、超音速声子晶体、热电学和热晶体学。
这些技术“预示了声子学领域的下一代技术革命”，而所有这些领域都有一个共同的主旨：以不同的频率操纵机械振动。[2]

原理/声子学
声子学
声子学图册
声子和电子很像，也会和电子相互作用。杂乱无章运动着的声子，仿佛乱穿马路的行人，搞得在路上列队前行的电子不得不减速，这就增加了电阻，徒耗能源，还限制了芯片的速度。若将导体冷却到足够低温，会出现零电阻和超导现象——从声子的角度，这很好解释：温度够低，分子安静下来，声子几乎消失；此时，对电子来说，导线就像深夜的街道一样空旷，可以畅通无阻。

超导对于输电很有意义。但正如信息技术革命的重点并非处理超强电流，而是极其细微的电路和元器件，对声子的进一步研究也逐渐转向操控微小尺度体系的热流。人们希望，参照微电子器件，发明一系列“声子器件”。[1]

应用/声子学
声子学最热门的领域是研发声学和热学超材料，以屏蔽声波和热流。声子学屏蔽的方法是以电磁外罩材料为基础，这些材料已经用于光学领域。其中一个研究热点就是设计和制造斗篷、外罩类设备以控制声波，引导声波绕过特定目标，比如整栋建筑，这样对于声波来说，外罩内的所有物体就是它探测不到的。这些技术有望带来将热转化为其他能量的新设备，或二极管热当量，帮助那些数据中心解决服务器产生的大量废热的问题。[2]
附图

参考资料
[1]^文汇报：用“声子学”引领热技术突破引用日期：2013-11-20
[2]^科技日报：《自然》介绍新兴学科“声子学”研究八个主题领域引用日期：2013-11-20

https://baike.baidu.com/item/%E5%A3%B0%E5%AD%90%E5%AD%A6

http://www.baike.com/wiki/%E5%A3%B0%E5%AD%90%E5%AD%A6

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A3%B0%E5%AD%90



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