近日，同济大学物理科学与工程学院陈杰教授课题组在二维材料拓扑声子热输运领域取得重要进展，该工作通过外电场调节单层氧化镁（MgO）的晶体对称性和声子拓扑，在较小结构扰动下实现了晶格热导率的大幅、可逆调控，并揭示了声子拓扑性质调控非谐声子散射以及宏观热输运的微观物理机制。相关研究成果以“Mirror Symmetry Breaking Induced Tunable Topological Phononic Thermal Transport in Monolayer MgO via Electrophononic Effect ”为题，发表于物理类期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）。

拓扑物理为调控声子与热输运提供了全新自由度，目前有关拓扑声子的研究大多集中于其能带特征和边界态，但对声子拓扑性质如何影响非谐声子散射及宏观热输运仍缺乏清晰的微观认识。针对这一问题，本工作结合声子玻尔兹曼输运方程与机器学习势函数，系统研究了外电场作用下单层MgO的声子拓扑与热输运特性。研究发现，在0.4 V/Å面外电场下，室温晶格热导率降低超过50%（图1）。这是由于面外电场打破了二维系统中镜面对称性，驱动声子拓扑与本征矢重构，显著增强了声子模式的角动量，导致原本以线偏振为主的晶格振动逐渐转变为具有圆偏振特征的手性声子，诱导了面内和面外声子振动模式的耦合，从而显著增强特定频率范围的非谐声子散射（图2）。而在相同强度面内电场情况下，由于镜面对称性和声子拓扑性质保持不变，仅造成轻微晶格畸变导致晶格热导率降低约16%。由此，本工作建立了“镜面对称性破缺—声子拓扑重构—本征矢手性增强—非谐声子散射增强—晶格热导率降低”的完整微观物理图像，阐明了声子拓扑如何通过改变声子本征态及其相互耦合最终调控宏观热输运。此外，有限温度分子动力学模拟表明，外电场引起的结构变化具有良好的稳定性和可逆性。

图1、外电场作用下，单层MgO的晶体结构、声子拓扑、声子散射及晶格热导率特性

图2、声子角动量、声子贝里曲率、三声子散射矩阵元及声子手性参数

该研究工作不仅展示了一种快速、可逆且结构扰动较小的热输运调控方式，并将声子拓扑研究从能带调控拓展至非谐声子相互作用和热输运调控，为理解微观拓扑性质如何影响宏观非平衡输运行为提供了新的物理视角，也为发展外场可控的新型声子器件及微纳尺度热管理技术提供了理论基础。

同济大学物理科学与工程学院博士后潘丽君为论文第一作者，陈杰教授与张忠卫副教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委、长三角科技创新共同体联合攻关项目、上海市东方英才计划领军项目、中国博士后科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0327560