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Department of Physics & Astronomy

[박성준/황윤석 학생, 최홍철 박사, 양범정 교수] 음향 포논의 위상성질 규명 (Nature Communications 논문 게재)

2021-11-25l 조회수 143

“Topological acoustic triple point

고체 격자에서는 연속적인 병진대칭성이 자발적으로 깨지는데 이로 인해 나타나는 Nambu-Goldstone boson이 바로 음향 포논 (acoustic phonons)이다. 3차원 고체 결정에서 음향 포논은 두 개의 가로 모드 (transverse mode)와 하나의 세로 모드 (longitudinal mode)로 구성이 되고 이런 세 개의 포논 모드들은 브릴루앙 영역 중심에서 운동량과 에너지가 모두 0이 되면서 교차하게 된다. 본 연구에서는 음향 포논의 삼중 교차점이 위상 불변량을 가짐을 규명하였다. 위상 불변량은 세로 모드의 스컬미온 숫자 (skyrmion number)와 가로 모드의 오일러 숫자 (Euler number)로 기술이 된다. 연구진은 이 두 개의 양자화된 위상 숫자가 음향 포논 사이의 축퇴도를 결정하고 포논 각운동량 홀 효과와 같은 독특한 열수송 현상의 근본 원인이 됨을 밝혔다. 본 연구는 Nambu-Goldstone boson이 가지는 축퇴점 (degeneracy point)이 새로운 위상현상의 근원이 될 수 있음을 제시하였다.

Acoustic phonon is a classic example of triple degeneracy point in band structure. This triple point always appears in phonon spectrum because of the Nambu–Goldstone theorem. Here, we show that this triple point can carry a topological charge q that is a property of three-band systems with space-time-inversion symmetry. The charge q can equivalently be characterized by the skyrmion number of the longitudinal mode, or by the Euler number of the transverse modes. We call triple points with nontrivial q the topological acoustic triple point (TATP). TATP can also appear at high-symmetry momenta in phonon and spinless electron spectrums when Oh or Th groups protect it. The charge q constrains the nodal structure and wavefunction texture around TATP, and can induce anomalous thermal transport of phonons and orbital Hall effect of electrons. Gapless points protected by the Nambu–Goldstone theorem form a new platform to study the topology of band degeneracies.

 

Authors: Sungjoon Park*, Yoonseok Hwang*, Hong Chul Choi, Bohm-Jung Yang

 

Publication date: 22 November 2021

Link: Topological acoustic triple point | Nature Communications