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該工作主要介紹了蔣建華教授和蒲殷副教授合作團(tuán)隊(duì)在拓?fù)湮锢矸矫嫒〉玫闹匾芯砍晒?。自從量子霍爾效?yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，能譜的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系(bulk-edge correspondence)被認(rèn)為是拓?fù)洳牧希òㄍ負(fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)涑瑢?dǎo)體）最顯著的物理特征。因此，實(shí)驗(yàn)上拓?fù)洳牧贤皿w-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)表征和區(qū)分。最近十年來(lái)，隨著物理理論、材料計(jì)算和材料制備技術(shù)的進(jìn)步，人們提出并發(fā)現(xiàn)了很多由晶體對(duì)稱性所保護(hù)的拓?fù)洳牧希赐負(fù)渚w材料，包含拓?fù)渚w絕緣體、拓?fù)渚w半金屬、拓?fù)渚w超導(dǎo)體等）。這些材料甚至在已知的所有晶體材料中占據(jù)了相當(dāng)大的比例。然而，這些材料往往不遵循體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系，甚至很難通過(guò)能譜確定他們的拓?fù)渲笜?biāo)。這成為拓?fù)湮锢碇袑?shí)驗(yàn)和材料研究的一大挑戰(zhàn)。

圖1. 拓?fù)浣^緣體的體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系。左圖為五邊形的旋錯(cuò)結(jié)構(gòu)，數(shù)值為原胞電荷值。右圖為放大的旋錯(cuò)區(qū)域的Wannier芯（代表電荷，用紅點(diǎn)表示）的分布。

為解決這個(gè)問(wèn)題，人們提出了一系列新的物理性質(zhì)來(lái)表征拓?fù)渚w材料。其中特別有用的是所謂的體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系。旋錯(cuò)是晶體材料中自然形成、普遍存在的一種缺陷結(jié)構(gòu)。表面附近的旋錯(cuò)可以通過(guò)顯微鏡找到。在體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系中，旋錯(cuò)可以誘導(dǎo)出分?jǐn)?shù)電荷（如圖1），且分?jǐn)?shù)電荷的數(shù)值完全依賴于拓?fù)渚w材料的拓?fù)渲笜?biāo)。由此，可以通過(guò)測(cè)量旋錯(cuò)誘導(dǎo)的分?jǐn)?shù)電荷判斷出材料的拓?fù)渲笜?biāo)。除分?jǐn)?shù)電荷之外，通常還會(huì)在旋錯(cuò)上發(fā)現(xiàn)拓?fù)湔T導(dǎo)的局域態(tài)。在拓?fù)涔庾泳w中，計(jì)算發(fā)現(xiàn)這些局域態(tài)可以作為非常穩(wěn)定的光學(xué)微腔，在應(yīng)用上具有重要的價(jià)值。

圖2. 左圖：實(shí)驗(yàn)測(cè)量局域態(tài)密度的示意圖。利用Purcell效應(yīng)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)（即亞波長(zhǎng)天線的輻射電阻正比于光子局域態(tài)密度）可以測(cè)量光子的局域態(tài)密度。右圖：橘黃色為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光子局域態(tài)密度，藍(lán)色為相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

蔣建華課題組和蒲殷課題組創(chuàng)造性地利用光子晶體作為拓?fù)渚w絕緣體的類比，通過(guò)構(gòu)建光子晶體旋錯(cuò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探測(cè)體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系的物理系統(tǒng)。在測(cè)量分?jǐn)?shù)電荷方面，通過(guò)與電子系統(tǒng)的類比，利用Purcell效應(yīng)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)測(cè)量光子的局域態(tài)密度（如圖2）。通過(guò)局域態(tài)密度可間接測(cè)得拓?fù)淠軒?dǎo)致的分?jǐn)?shù)電荷，由此發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了拓?fù)渚w絕緣體中旋錯(cuò)導(dǎo)致的分?jǐn)?shù)電荷5/2（見(jiàn)圖3）。由此，體-旋錯(cuò)對(duì)應(yīng)關(guān)系首次在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)和發(fā)現(xiàn)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了旋錯(cuò)導(dǎo)致的光子局域態(tài)，并發(fā)現(xiàn)這些局域態(tài)僅存在于拓?fù)渚w材料中。這些驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)為拓?fù)湮锢砗筒牧系难芯块_(kāi)辟了新的道路和方向，并特別顯示出光子晶體和超材料在基礎(chǔ)物理研究中的重要價(jià)值。

圖3. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的原胞電荷。由于系統(tǒng)的對(duì)稱性，僅測(cè)量了1/5的原胞（虛線框住的區(qū)域）。左圖：拓?fù)渚w絕緣體的電荷分布。右圖：平庸絕緣體的電荷分布。橘黃色區(qū)域?yàn)樾e(cuò)區(qū)域，灰色為體區(qū)域，綠色為邊界區(qū)域，藍(lán)色為角區(qū)域。

蔣建華教授簡(jiǎn)介

蔣建華，蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科(2004年)和碩博連讀博士(2010年)。先后在以色列Weizmann研究所（導(dǎo)師：Yoseph Imry教授，2016年沃爾夫物理獎(jiǎng)得主）和加拿大多倫多大學(xué)（導(dǎo)師：Sajeev John教授，光子晶體創(chuàng)始人之一）從事博士后研究。2019年入選教育部國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目。

蔣建華教授長(zhǎng)期從事超材料、非平衡統(tǒng)計(jì)物理等方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。在Nature、Nature Physics、Physics Review Letters等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 70余篇。擔(dān)任“全國(guó)統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜系統(tǒng)學(xué)術(shù)會(huì)議”學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、“全國(guó)超材料大會(huì)”理事會(huì)理事、《Chinese Physics Letter》《Chinese Physics B》《中國(guó)物理學(xué)報(bào)》和《物理》雜志青年編輯等學(xué)術(shù)兼職。