Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals

Chern类 环面 拓扑(电路) 对称保护拓扑序 物理中的拓扑熵 物理 拓扑绝缘体 曲面(拓扑) 标量(数学) 量子霍尔效应 拓扑序 布里渊区 表面状态 拓扑量子数 量子 量子力学 几何学 数学 电子 组合数学
作者
Gui-Geng Liu,Zhen Gao,Qiang Wang,Xiang Xi,Yuan-Hang Hu,Maoren Wang,Chengqi Liu,Xiao Lin,Longjiang Deng,Shengyuan A. Yang,Peiheng Zhou,Yihao Yang,Y. D. Chong,Baile Zhang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:609 (7929): 925-930 被引量:62
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05077-2
摘要

The paradigmatic example of a topological phase of matter, the two-dimensional Chern insulator1-5, is characterized by a topological invariant consisting of a single integer, the scalar Chern number. Extending the Chern insulator phase from two to three dimensions requires generalization of the Chern number to a three-vector6,7, similar to the three-dimensional (3D) quantum Hall effect8-13. Such Chern vectors for 3D Chern insulators have never been explored experimentally. Here we use magnetically tunable 3D photonic crystals to achieve the experimental demonstration of Chern vectors and their topological surface states. We demonstrate Chern vector magnitudes of up to six, higher than all scalar Chern numbers previously realized in topological materials. The isofrequency contours formed by the topological surface states in the surface Brillouin zone form torus knots or links, whose characteristic integers are determined by the Chern vectors. We demonstrate a sample with surface states forming a (2, 2) torus link or Hopf link in the surface Brillouin zone, which is topologically distinct from the surface states of other 3D topological phases. These results establish the Chern vector as an intrinsic bulk topological invariant in 3D topological materials, with surface states possessing unique topological characteristics.
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