新加坡南洋理工大学罗宇教授团队《Adv. Mater.》：热扩散系统中的高阶拓扑态
新加坡南洋理工大学罗宇教授团队《Adv. Mater.》：热扩散系统中的高阶拓扑态
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自上世纪八十年代以来，数学中拓扑的概念被引入至凝聚态物理领域，继而催生出物质拓扑相这一概念。拓扑相的提出为凝聚态物理中物质的分类与描述提供了全新的视角，并催生了拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑序等全新概念。随着对物质拓扑相态的深入研究，高阶拓扑绝缘体与高阶拓扑边界态的概念于2017年被提出。与传统的一阶拓扑绝缘体不同，高拓扑绝缘体具有更高余维(co-dimension)的拓扑边界态，例如零维角模态与一维铰链态等。高阶拓扑绝缘体在电磁波、声波以及电路等多种系统中被实现，并催生了基于高阶边界态的拓扑激光器，拓扑纳米微腔以及拓扑声源等创新应用。与此同时，拓扑绝缘体的概念还被拓展至热扩散系统，并于2022年首次在实验中观测到一维热扩散系统中的拓扑边界态。
近日，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院罗宇教授团队在Advanced Materials (IF: 32.086)上发表了题为 “Higher-order topological states in thermal diffusion” 的论文。本文将高阶拓扑态的概念引入至热扩散系统中，并首次在纯扩散系统中激发出一阶拓扑边缘态与二阶拓扑角态。与波动系统不同，描述纯扩散系统的哈密顿算符具有非厄米特性。因此，由热扩散系统哈密顿量所求得的本征解不再表示波动频率，而代表温度场在系统的扩散速率。通过合理设计二维热扩散系统的空间排布，该工作构建了基于广义SSH（Su–Schrieffer–Heeger）模型的二维拓扑热扩散系统。通过对二维拓扑阵列进行逐点加热并记录温度演化，该工作逆向求解得到拓扑阵列的扩散速率与本征温度场分布，并观测到位于体态带隙的一阶边缘态与二阶角态解，与理论模型相符。在此基础上，该研究根据所得特征温度场对系统进行加热，激发并观测到了具有稳定扩散速率的一阶拓扑边缘态与二阶拓扑角态。由于拓扑保护的存在，引入旋转扭曲等干扰的拓扑热扩散系统依旧可以产生一阶边缘态与二阶角态，且所激发一阶边缘态与二阶角态具有稳定的空间扩散速率。该工作将高阶拓扑态引入至热学领域，构建了具备抵抗无序干扰能力的二维拓扑热扩散系统，为热场的调控与管理提供了新的思路。
新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院博士后吴浩天为论文第一作者，南洋理工大学博士后、南京航空航天大学教授胡昊为共同第一作者；南洋理工大学电气与电子工程学院罗宇教授为论文第一通讯作者，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士、南洋理工大学电气与电子工程学院王岐捷教授、南洋理工大学数学物理学院张柏乐教授为共同通讯作者。其他合作者还包括南洋理工大学电气与电子工程学院郑元谨教授，东南大学毫米波国家重点实验室张婧婧教授，南洋理工大学电气与电子工程学院博士后王希晰，大连海事大学信息科学技术学院徐之遐教授。
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新加坡南洋理工大学罗宇教授团队的主要研究方向包括非线性光学、变换光学、拓扑物理学、粒子物理学等，致力于新型超构材料、微纳光电子器件的设计与研发。相关成果发表在 Science 、 Nature Physics 、 Nature Electronics 、 Nature Communications 、 Physical Review Letters 、 Advanced Materials 、 PNAS 、 National Science Review 、 Nano Letters 、 ACS nano 等国际顶刊。罗宇教授现任南洋理工大学电气与电子工程学院光电子与生物光子中心副主任，论文总引用量达5000余次。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210825
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