امواج صوتی در یک ماده ساخته شده، در یک، دو و سه بعد ویژگی‌های توپولوژیکی از خود نشان می‌دهند –نمایشی از نسخه صوتی یک شبه ‌فلز خط-گره‌ای درجه بالاتر.

عایق های توپولوژیکی - که در فضای داخلی حجم خود عایق بوده و روی سطوح خود رسانا می شوند- مواد توپولوژیکی اولیه هستند. در سال‌های اخیر، محققان بسیاری از مواد توپولوژیکی دیگر را با انواع حالت‌های مرزی در سطوح، لبه‌ها و گوشه‌های آنها شناسایی کرده‌اند. ژنگیو لیو Zhengyou Liu و همکارانش از دانشگاه ووهان در چین با افزودن به این مجموعه از فازهای توپولوژیکی "رده بالاتر"، اکنون یک شبه فلز خط-گره ای (nodal-line semimetal :NLSM) مرتبه بالاتر را در یک سیستم صوتی نشان داده اند [1]. این کریستال صوتی با حالت های مرزی منحصر به فرد خود، ممکن است کاربردهایی را در سنجش صوتی و انباشت انرژی ایجاد کند.

شبه فلزات توپولوژیکی با گاف های بسته که در آن دو باند انرژی به هم می رسند، مشخص می شوند که منجر به انتقال عجیب الکترون ها مانند تحرک بالای حامل و مقاومت مغناطیسی بزرگ می شود. فیزیکدانان نوارهای موجود در این مواد را به عنوان سطوح در انرژی، در مقابل فضای تکانه دو بعدی نشان می دهند. در یک NLSM، دو تا از این سطوح، در حالت توده ای (حجیم) روی یک خط می افتند و در سطح آن به یک حالت مرزی تبدیل می شوند.

NLSMها در مواد و سیستم‌های آنالوگ مشاهده شده‌اند، اما درک NLSM‌های مرتبه بالاتر - آنهایی که حالت‌های مرزی اضافی در لبه‌هایشان دارند، برای محققین مشکل‌تر بوده‌ است.

لیو و همکارانش برای کریستال فونونی خود از پرینت سه بعدی برای ساختن مجموعه ای از حفره ها و تونل هایی به اندازه میلی متر استفاده کردند که امواج صوتی می توانند درون آنها حرکت کنند. گروه یک بلندگو را در نقاط مختلف آرایه قرار داد و انتقال صدا در ماده را اندازه‌گیری کرد. آن‌ها با استفاده از داده‌ها، ساختار نوار آکوستیک را به دست آوردند، خطوط گره‌ای را در حجم مشاهده کردند، همچنین حالت‌های «سر طبل» روی سطوح و حالت‌های «لولا» در لبه‌ها را مشاهده کردند - همانطور که برای NLSM مرتبه بالاتر پیش‌بینی شده بود.

به گفته این گروه، حالت‌های سطح و لبه دو ویژگی دارند: چگالی حالت‌های بالا و سرعت گروه آهسته ؛ که می‌توانند به ترتیب برای تشخیص صداها و جذب انرژی در فرکانس‌های خاص مفید باشند. نتایج همچنین ممکن است به جستجوی فازهای توپولوژیکی مرتبه بالاتر در مواد جامد کمک کند.

1-Q. Ma et al., “Observation of higher-order nodal-line semimetal in phononic crystals,” Phys. Rev. Lett. 132, 066601 (2024)..

منبع:

Material Hums a New Topological Tune

ترجمه خبر: شهره کرمی