Beobachtung dreidimensionaler akustischer Quanten-Hall-Zustände

Der Quanten-Hall-Effekt (QHE) ist eine der bemerkenswertesten Entdeckungen in der Festkörperphysik und öffnet die Tür zur topologischen Physik. Die Ausweitung des QHE auf drei Dimensionen ist ein inspirierendes, aber anspruchsvolles Unterfangen. Diese Schwierigkeit entsteht, weil sich die Landau-Niveaus in drei Dimensionen in Bändern entlang der Richtung des Magnetfelds ausdehnen und so die Öffnung von Volumenlücken verhindern.

Kürzlich wurde ein praktikables Schema in Weyl-Halbmetallen vorgeschlagen, deren Fermi-Bogenzustände auf gegenüberliegenden Oberflächen durch die massiven Weyl-Punkte verbunden sind, um eine vollständige Fermi-Schleife zu bilden, und unter dem Magnetfeld werden eindimensionale Randzustände an der Grenze der gegenüberliegenden Oberfläche induziert. Die einzigartigen Randzustände müssen jedoch noch experimentell beobachtet werden.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Wissenschafts-BulletinForscher der Shanxi University und der Wuhan University in China haben den dreidimensionalen QHE für Schallwellen in einem Weyl-Akustikkristall theoretisch vorgeschlagen und experimentell demonstriert. Insbesondere wurden die interessanten eindimensionalen Randzustände auf den gegenüberliegenden Oberflächen direkt beobachtet.

Da das Magnetfeld keine Wirkung auf Schallwellen hat, wurde ein pseudomagnetisches Feld konstruiert, dessen Wirkung auf Schallwellen der Wirkung von Magnetfeldern auf Elektronen ähnelt. Eine gängige Strategie zum Aufbau von PMFs für Schallwellen besteht darin, einen Strukturgradienten einzuführen.

In diesem Artikel wurde die Gradientenstruktur eingeführt, indem die akustischen Hohlräume entsprechend der Energie vor Ort variiert wurden. Dabei verschoben sich die Fermi-Bögen, die die Weyl-Punkte verbinden, gleichzeitig in dieselbe Richtung, sodass sowohl die Volumen- als auch die Oberflächenzustände dasselbe pseudomagnetische Feld spürten. Mit dem pseudomagnetischen Feld bildeten die Oberflächenzustände Landau-Niveaus, und die eindimensionalen Randzustände wurden erzeugt und in der Nähe der diagonalen Scharniere lokalisiert.

Im Experiment wurde mithilfe der 3D-Drucktechnologie eine akustische Kristallprobe hergestellt und die eindimensionalen Randzustände wurden direkt durch Messung des akustischen Druckfelds in der Probe beobachtet.

„Diese Studie könnte neue Wege zur Manipulation akustischer Wellen eröffnen, die als Grundlage für akustische Geräte mit unkonventionellen Funktionen dienen. Sie bietet eine ideale und anpassbare Plattform zur Erforschung der Hall-Physik und kann auf andere künstliche Strukturen wie optische und kalte Atomsysteme ausgeweitet werden“, sagen die Forscher.