摘要：拓扑电子材料因为具有非平庸的拓扑态,所以会展现出许多奇异的物理性质.本文通过第一性原理计算对应变调控下的烧绿石三元氧化物Tl_(2)Ta_(2)O_(7)中的拓扑相变进行了研究.首先分析了原子轨道投影能带,发现体系费米能级附近O原子的(px+py)与pz轨道发生了能带反转,再构造了紧束缚模型计算得到体系的Z2拓扑不变量确定了其拓扑非平庸性,最后研究了表面态等拓扑性质.研究发现未施加应变的Tl_(2)Ta_(2)O_(7)是一个在费米能级处具有二次能带交叉点的半金属,而平面内应变会破缺晶体对称性进而使体系发生拓扑相变.当对体系施加-1%的压缩应变时,它会转变为狄拉克半金属;当对体系施加1%的拉伸应变时,体系相变为拓扑绝缘体.本研究对于在三维材料中调控拓扑相变有着较重要的指导意义,并且为低能耗电子器件的设计提供了良好的材料平台.

摘要：构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构,让散射体和基体材料反转.由于特有的点群对称,该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道.在散射体和基体反转的两种结构中, p轨道和d轨道也直接实现了反转.定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转.通过p轨道和d轨道的宇称特性,构建了类比电子体系量子自旋霍尔效应的赝自旋态.通过Γ点处有效哈密顿量的分析,揭示轨道反转导致的拓扑相变.通过结构的优化,构建了基于赝自旋的拓扑边界态.电磁波仿真模拟和能流矢量分析证明了结构具有电子体系量子自旋霍尔效应的特性,即自旋与传播方向锁定和拓扑保护.结果也证明经典波量子自旋霍尔效应的实现可以不经历带隙关闭的过程.与同类型的研究相比较,本文的结构不需要晶格的缩放,具有设计简单、带隙宽和边界态局域性较强的特点.

摘要：基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质,光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路.类比电子体系中的量子自旋霍尔效应,本文设计出一种简单的二维介电光子晶体,以实现自旋依赖的光子拓扑边界态.该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构.将硅柱子绕各自中心旋转60°,可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转.这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度,其点群对称性可用来构建赝时间反演对称.根据k·p微扰理论,给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数,由此证实能带翻转的实质是拓扑相变.数值计算结果揭示,在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态.本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单,实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置,只需转动一个角度.因此,这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.

摘要：HgTe/CdTe量子阱是研究拓扑绝缘体新奇物性的一个很好载体。采用Kane八带k·p模型,对电场驱动Hg1-xCdxTe/CdTe量子阱拓扑相变及其相变前后的光吸收性质进行了研究,并使用BHZ模型对吸收系数进行了解析计算和分析。结果表明:在电场能够驱动Hg1-xCdxTe/CdTe量子阱拓扑相变后继续增大电场,其能带可变为墨西哥帽形状,联合态密度将会增强,导致光吸收相比于无电场时显著增强,与解析计算结果相吻合。对于平行界面偏振光(TE)吸收曲线在带边还形成了双峰结构。文章结果可用于新型红外光电探测器、激光器以及频率选择器等量子阱器件的研究和设计。

摘要：基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.

摘要：近年来受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。本文主要综述了周期性二聚化以及准周期性Harper光子拓扑链中光子与人工带隙材料的相互作用,揭示了非厄密物理、宇称-时间对称转变和拓扑相变对能带和带隙的作用规律,以及光场本征态的调控和传输机制。围绕实际的共振耦合技术,介绍了非厄密拓扑物理启发下的具有拓扑保护特性的高性能近场无线传能和传感方案,并对非厄密拓扑物理对于无线传能和传感的发展将起到的作用进行了展望。

摘要：声学拓扑绝缘体具有拓扑保护、背散射及缺陷免疫的非传统声学边界态,为实现声波按需精细调控提供了一种有效的方法,其中二维高阶拓扑绝缘体中共同存在零维角态和一维边界态,使其拥有在多个维度上操纵波能量的能力,进一步增强了波调控的灵活度,引起广泛关注.本文提出了一种能够在多频带范围实现高阶拓扑态的C3对称性元胞结构,其通过旋转散射体角度激活不同谷选择性角态.这种具有开关特性的角态可以根据需求进行声波场能量局域化调控,在实际运用中具有重要意义.相对于传统的单频带高阶拓扑绝缘体,本文所设计的元胞结构能够在基频带隙和二阶高频带隙中同时实现边界态的波导调控和角态的选择性激发,并具有优秀的缺陷免疫鲁棒性.该高阶拓扑绝缘体的多频带特性将有利于拓展传统单频带器件的工作频率范围和带宽,同时角态的谷选择性激发特点可推动声学拓扑绝缘体在多波段声波能量捕获、检测和采集声学器件中的应用.

摘要：基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性,受到广泛关注.本文设计了一种声子晶体板结构,通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺,从而构造四重简并态.与现有利用能带“区域折叠”进行构造的方法相比,该方法简化了声子晶体的元胞构型.元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度θ,研究发现,旋转角度θ=0°时,元胞能带结构存在两个二重简并态,调整旋转角度到±33°时,布里渊区中心Г点处出现四重简并态,并发现旋转角度越过±33°时均会发生能带反转,这表明调整晶体结构参数θ使得体系经历拓扑相变.利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞,并通过计算其投影能带,发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态.在此基础上,构造多种不同类型的弹性声子晶体板,验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性.本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点,为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.

摘要：将规则的铁质三脚杆以六角晶格形式嵌入磁流变弹性基体中设计了一种二维声学超材料,通过计算分析结构元胞的色散关系,找出k点必然简并狄拉克点,并通过旋转单个三脚杆打破晶格结构的空间对称性使狄拉克点完成了打开—简并—打开的变化过程。模拟量子谷霍尔效应,在k点必然简并狄拉克点的变化过程中导致了不同的谷赝自旋之间能带发生反转,实现了拓扑相变。通过对声学超材料超元胞色散关系的计算,发现了结构中存在的拓扑边界态,利用拓扑边界态设计弹性波拓扑传输通道,实现了对弹性波的精确引导,并可以通过外加磁场改变磁流变基体材料的剪切模量来改变拓扑传输通道的频率范围,实现了对拓扑传输通道传输频率的非接触式主动调控。研究结果可以为噪声及振动等的智能控制提供相应的参考。

摘要：具有良好可重构性、良好缺陷兼容性及紧凑型的声学拓扑结构可能成为声学发展中一个有前景的方向.本文设计了一种可调谐、应用于空气声的二维宽带复合蜂窝形晶格结构,其元胞拥有两个变量:一个是中心圆的缩放参数s,另一个是"花瓣"图案围绕其质心的旋转角度q.研究发现当s为1.2, q为±33°时,在结构的布里渊区中心点出现四重简并态.在±33°两侧,能带会发生反转,体系经历拓扑相变;同时,结构的相对带隙宽带逐渐增加,其中q为0°和60°时,相对带宽分别为0.39和0.33.本研究还计算了由这两种转角的声子晶体组成的拼合结构的投影能带,发现在其体带隙中存在着边界态并验证了此拓扑边界的缺陷免疫特性.最后通过变化s,构建了一种非周期性双狄拉克锥型的声拓扑绝缘体并验证了其缺陷免疫性.本研究的体系相对带宽显著超过已知体系,将为利用声拓扑边界的声波器件微型化打下良好的基础.