近日，南京大學(xué)物理學(xué)院馬余強院士合作團隊在二維可形變結(jié)構(gòu)的隱對稱（hidden symmetry）方面取得了重要進展, 最新研究成果以「Duality, hidden symmetry and dynamic isomerism in 2D hinge structures」為題發(fā)表在近日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 129, 125501 (2022)]。這也是馬余強院士團隊以南京大學(xué)第一完成單位在該方向上發(fā)表的第二篇重要理論工作。

南京大學(xué)物理學(xué)院雷群利副教授和唐峰研究員為該工作的第一、二作者，雷群利副教授、馬余強院士和新加坡南洋理工大學(xué)倪冉教授為共同通訊作者。該項研究得到固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室，人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，人工微結(jié)構(gòu)高性能計算中心，以及國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（海外）、面上項目等的資助。在此表示感謝！

2021年，馬余強院士合作團隊發(fā)現(xiàn)軟物質(zhì)膠體體系可以用來自組裝形成負泊松比的新型可形變對偶結(jié)構(gòu)[Phys. Rev. Lett. 127, 018001 (2021)]。結(jié)構(gòu)中的隱對稱會導(dǎo)致該經(jīng)典體系的振動（聲子）譜出現(xiàn)量子體系的Kramers簡并，并且該結(jié)構(gòu)在自對偶點（self-dual point）還會出現(xiàn)臨界傾斜的狄拉克錐（圖1）。然而，該隱對稱自首次發(fā)現(xiàn)后，其起源一直是一個未解之謎 [Nature, 577, 636 (2020)]。

圖1. （左）半圓柱膠體顆粒自組裝形成具有pmg和p31m空間群的負泊松比可形變晶體（也稱麥克斯韋晶體）。（右）p31m晶體是一種對偶晶體，在兩不同張角下具有對偶映射，使得振動譜完全一樣。在自對偶點，振動譜在整個布里淵區(qū)發(fā)生Kramers簡并，并且會在特定交點形成臨界傾斜的狄拉克錐。[Phys. Rev. Lett. 127, 018001 (2021)]。

在最新的《物理評論快報》工作中，研究團隊成功破解了可形變結(jié)構(gòu)中隱對稱的起源之謎，發(fā)現(xiàn)該隱對稱來自可形變力學(xué)網(wǎng)絡(luò)中鉸鏈結(jié)構(gòu)特殊的「部分中心對稱性」（partial central inversion symmetry）（圖2a-b）。該隱對稱性可以導(dǎo)致類似化學(xué)中「同分異構(gòu)體」的「動力學(xué)異構(gòu)體」（dynamic isomerism）出現(xiàn)，即看似不同的結(jié)構(gòu)會具有完全相同的動力學(xué)本征模（圖2d-g）。該效應(yīng)可以用來實現(xiàn)一種無耗損、無反射的新型本征波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（圖2l）。

圖2. （a-c）鉸鏈對偶變換，該對偶變換的關(guān)鍵是鉸鏈的「部分中心對稱」（a->b）。這導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)在張角度時出現(xiàn)Kramers雙重簡并。（d-g）多鉸鏈串聯(lián)形成的「動力學(xué)異構(gòu)體」構(gòu)型。（l）利用「動力學(xué)異構(gòu)體」實現(xiàn)新型的無耗損和無反射的本征波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。（h-j）一維周期性鉸鏈的對偶變換和振動譜，其中在張角度時會出現(xiàn)Kramers簡并。

根據(jù)「動力學(xué)異構(gòu)體」原理，可以很容易證明一維周期性鉸鏈的對偶變換和自對偶點的Kramers簡并（圖2h-j）。進一步，團隊還提出了二維任意復(fù)雜鉸鏈對偶結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略，并一次性給出了多種不同對稱性的自對偶結(jié)構(gòu) （圖3）。

圖3. 根據(jù)鉸鏈對偶原理設(shè)計的可形變二維對偶結(jié)構(gòu)。

圖4. 量子自旋波體系中同樣存在鉸鏈對偶原理和相應(yīng)的隱對稱（Kramers簡并）。這證明了該機制的普適性。

最后，該工作還證明，這些自對偶結(jié)構(gòu)的隱對稱不僅在機械振動的經(jīng)典體系中存在，還存在于包括微觀量子體系的其它哈密頓體系。例如，該工作展示了具有量子自旋的粒子在排列成對偶結(jié)構(gòu)后，其自旋波（magnons）也會出現(xiàn)對偶能譜和Kramers簡并現(xiàn)象（圖4）。這證明了鉸鏈結(jié)構(gòu)對偶原理和其產(chǎn)生的隱對稱性的普適性。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.125501

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.018001

–南京大學(xué)物理學(xué)院