中国科大苏州高研院蒋建华团队与浙江大学杨怡豪/陈红胜团队合作在非阿贝尔拓扑物态研究中取得重要进展。该研究成果以“Observation of Two-Dimensional Time-Reversal Broken Non-Abelian Topological States”为题发表在《Nature Communications》杂志上[Nat. Commun. 15, 10036 (2024)]。

在拓扑物理领域，拓扑理论对于理解绝缘体和半金属中的奇异现象起着关键作用，尤其是体拓扑与边界态之间的联系（体-边对应关系）备受关注。传统研究主要集中在单拓扑带隙体系，其拓扑不变量满足可叠加性（阿贝尔拓扑不变量）。然而，近年来发现由于整体希尔伯特空间的几何相位效应，多带隙体系的拓扑物理更为丰富，基于矩阵运算群的拓扑不变量能够刻画多个带隙之间的全局几何与拓扑结构，为研究 Dirac 节点的创建、合并和分裂等现象提供了新视角，突破了传统Nielsen-Ninomiya定理的限制。

与此同时，手性边界态作为拓扑物理中极具代表性的现象，早在 1980 年代就在二维电子气体中被发现，经典 Haldane 模型揭示了其在零净磁通晶格中的内在生成机制，强调了时间反演对称性破缺的重要性。但当前研究主要局限于基于阿贝尔拓扑不变量的体系，尤其在二维及更高维度体系中基于多带隙非阿贝尔拓扑的（反）手性边界态探索仍处于空白状态。

为填补这一空白，研究团队开展了深入研究。他们提出一种具有交错磁通的 Kagome 晶格，该晶格打破了 和 对称性，但保留了  对称性，从而支持非阿贝尔多能带拓扑并呈现丰富的拓扑相。。在二维旋磁光子晶体中，通过原位调节外加磁场，非阿贝尔拓扑节点以独特方式进行创建、编织、合并和分裂。在此过程中，多带隙的反手性边缘态能够被灵活操控和调节，进而产生多频率依赖的定向拓扑边界态波导。实验方面，研究团队对 Kagome 晶格模型的设计、非阿贝尔拓扑荷数产生的多带隙反手性边界态、非阿贝尔旋磁光子晶体的设计以及在原位可控外加磁场中实现和观测旋磁晶体中的多带隙反手性边缘态等进行了详细研究。最终，首次在实验上实现了时间反演破缺的二维非阿贝尔拓扑态，揭示了非阿贝尔拓扑节点与多带隙反手性边界态的深层关联，并成功验证了非阿贝尔拓扑态的动态演化规律，为拓扑光子学和量子材料研究奠定了重要基础。

图1 交错磁通Kagome晶格中的非阿贝尔拓扑电荷及其演化过程

图 2 在原位可控外加磁场中实现和观测旋磁晶体中的多带隙反手性边缘态

该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等项目的支持，中国科大苏州高研院和中国科大物理学院为论文共同通讯单位。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54403-x

                                                                                                                                                                                 （生物医学工程学院、科研部）