手性晶体中Weyl声子的进展
“手性”（chirality）是贯穿基础科学和自然界不可或缺的概念，以多种形式呈现，并在多个科学分支及实际应用中发挥着重要作用。在过去的十年里，具有明确手性的外尔（Weyl）准粒子引起了人们的极大关注。例如，晶格振动的集体激发产生的外尔声子是具有手性的，对应的能带简并点可被看做动量空间的磁单极，其手性与拓扑荷（或陈数）的符号一一对应[1]。固体中的外尔声子投影在表面上时，被呈现手性的螺旋结构的表面态所环绕，且表面态具有与外尔点相同的手性[2]。外尔声子自2018年在FeSi中预测及验证后[3-4]，在凝聚态领域引起了极大的关注，因为它们有可能启发如声子霍尔效应等新的量子物理现象和应用。然而，与可以通过多种方法探测到的外尔费米子不同，外尔声子的实验探测仍具有挑战性，此前只在非弹性X射线光谱（inelastic X-ray spectroscopy，IXS）和中子散射实验中得到了实现。
声子的手性除了可以从上述拓扑能带理论的角度来在倒空间定义，还可以从其对应的振动模式来在实空间定义（图1）。对于在实空间具有非零圆极化振动模式的声子（椭圆/圆周运动轨迹），被称为手性声子（chiral phonon）[5]。手性声子在具有C3/4/6 旋转对称性的晶体中可用赝角动量（pseudoangular momentum)来进行分类，其手性与赝角动量的符号一一对应。由于赝角动量为物理可观测量，因此手性声子在与其他携带非零角动量的准粒子或激发（如圆偏振光）进行散射时需满足选择定则，从而在实验中得到观测。鉴于对“手性”这一概念的不同理解，之前关于携带特定陈数的外尔声子和进行圆周运动的手性声子的研究都是独立进行的，这阻碍了人们对于声子以及其他准粒子激发中手性的深入理解。
最近，中国科学院理论物理研究所张田田副研究员与中国科学院物理研究所杜罗军特聘研究员、张广宇研究员、日本东京工业大学村上修一教授合作，发现在拥有C3/4/6 旋转对称性的手性晶体中，外尔声子和携带赝角动量的声子中的手性是与晶格的手性耦合在一起的（图2）。当晶体变为其对映体（即手性相反的对应结构）时，外尔声子及手性声子的手性会发生切换。作者们还以典型的手性晶体Te为例，阐述了外尔声子的陈数与声子赝角动量之间的内在关系，并讨论了这种耦合带来可以实验观测的效应，还提出声子的赝角动量可作为探测外尔声子的新手段（图3）。此外，该工作还利用拉曼光谱首次揭示了阻塞表面声子态（obstructed surface phonon mode）的存在（图4）。所有的实验结果均与第一性原理计算一致，证明拉曼光谱是一种快速、无损且具有高空间分辨率的探测手段，可用于探索手性晶体结构中的拓扑声子、手性声子以及阻塞表面态。该研究工作最近发表在Nano Letters。此工作的其他合作者还包括中国科学院物理研究所的博士生黄智恒（共同一作）和潘子添。
图1外尔声子、手性声子、晶格手性之间的相互纠缠
图2 Te晶体中，外尔声子和手性声子中的手性是与晶格的手性耦合在一起的。
图3 圆偏振拉曼散射验证Te晶体中，手性声子的赝角动量可作为探测外尔声子的新手段。
图4 第一性原理计算声子谱与拉曼散射结果一致，证明了阻塞表面声子态的存在（黑色实线和S模）。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c02132
参考文献
[1]Z. Fang, et al. Science 302, 92–95 (2003).
[2]C. Fang, et al. Nat. Phys. 12, 936 (2016).
[3]T. Zhang, et al. Phys. Rev. Lett. 120, 016401 (2018).
[4]H. Miao, et al. Phys. Rev. Lett. 121, 035302 (2018).
[5]L. Zhang, et al. Phys. Rev. Lett. 115, 115502 (2015).
[6]T. Zhang, et al. Nano Lett. 23, 7561–7567 (2023).