A topological insulator, as originally proposed for electrons governed by quantum mechanics, is characterized by a dichotomy between the interior and the edge of a finite system: The bulk has an energy gap, and the edges sustain excitations traversing this gap. However, it has remained an open question whether the same physics can be observed for systems obeying Newton's equations of motion. We conducted experiments to characterize the collective behavior of mechanical oscillators exhibiting the phenomenology of the quantum spin Hall effect. The phononic edge modes are shown to be helical, and we demonstrate their topological protection via the stability of the edge states against imperfections. Our results may enable the design of topological acoustic metamaterials that can capitalize on the stability of the surface phonons as reliable wave guides.

A two-dimensional phononic quadrupole topological insulator is demonstrated experimentally using mechanical metamaterials, which has both the one-dimensional edge states and the zero-dimensional corner states predicted by theory. The properties of many materials with topological band structures can be understood in terms of a quantization of the electric polarization. By considering a quantization of higher-order polarizations, a new class of higher-order topological insulators has recently been predicted. Marc Serra-Garcia et al. use a mechanical metamaterial to demonstrate such a system experimentally: a two-dimensional phononic quadrupole topological insulator, which has both one-dimensional states at the edges as well as zero-dimensional states at the corners. As these topological corner states are two dimensions lower than the bulk, they could provide a route to engineering one-dimensional channels along the edges of three-dimensional systems. The modern theory of charge polarization in solids1,2 is based on a generalization of Berry’s phase3. The possibility of the quantization of this phase4,5 arising from parallel transport in momentum space is essential to our understanding of systems with topological band structures6,7,8,9,10. Although based on the concept of charge polarization, this same theory can also be used to characterize the Bloch bands of neutral bosonic systems such as photonic11 or phononic crystals12,13. The theory of this quantized polarization has recently been extended from the dipole moment to higher multipole moments14. In particular, a two-dimensional quantized quadrupole insulator is predicted to have gapped yet topological one-dimensional edge modes, which stabilize zero-dimensional in-gap corner states14. However, such a state of matter has not previously been observed experimentally. Here we report measurements of a phononic quadrupole topological insulator. We experimentally characterize the bulk, edge and corner physics of a mechanical metamaterial (a material with tailored mechanical properties) and find the predicted gapped edge and in-gap corner states. We corroborate our findings by comparing the mechanical properties of a topologically non-trivial system to samples in other phases that are predicted by the quadrupole theory. These topological corner states are an important stepping stone to the experimental realization of topologically protected wave guides12,15 in higher dimensions, and thereby open up a new path for the design of metamaterials16,17.

A neural-network technique can exploit the power of machine learning to mine the exponentially large data sets characterizing the state space of condensed-matter systems. Topological transitions and many-body localization are first on the list. Classifying phases of matter is key to our understanding of many problems in physics. For quantum-mechanical systems in particular, the task can be daunting due to the exponentially large Hilbert space. With modern computing power and access to ever-larger data sets, classification problems are now routinely solved using machine-learning techniques1. Here, we propose a neural-network approach to finding phase transitions, based on the performance of a neural network after it is trained with data that are deliberately labelled incorrectly. We demonstrate the success of this method on the topological phase transition in the Kitaev chain2, the thermal phase transition in the classical Ising model3, and the many-body-localization transition in a disordered quantum spin chain4. Our method does not depend on order parameters, knowledge of the topological content of the phases, or any other specifics of the transition at hand. It therefore paves the way to the development of a generic tool for identifying unexplored phase transitions.

We explore the nature of the Bose condensation transition in driven open quantum systems, such as exciton-polariton condensates. Using a functional renormalization group approach formulated in the Keldysh framework, we characterize the dynamical critical behavior that governs decoherence and an effective thermalization of the low frequency dynamics. We identify a critical exponent special to the driven system, showing that it defines a new dynamical universality class. Hence critical points in driven systems lie beyond the standard classification of equilibrium dynamical phase transitions. We show how the new critical exponent can be probed in experiments with driven cold atomic systems and exciton-polariton condensates.

Topological phononic crystals, alike their electronic counterparts, are characterized by a bulk-edge correspondence where the interior of a material dictates the existence of stable surface or boundary modes. In the mechanical setup, such surface modes can be used for various applications such as wave guiding, vibration isolation, or the design of static properties such as stable floppy modes where parts of a system move freely. Here, we provide a classification scheme of topological phonons based on local symmetries. We import and adapt the classification of noninteracting electron systems and embed it into the mechanical setup. Moreover, we provide an extensive set of examples that illustrate our scheme and can be used to generate models in unexplored symmetry classes. Our work unifies the vast recent literature on topological phonons and paves the way to future applications of topological surface modes in mechanical metamaterials.

Two-particle response functions are a centerpiece of both experimental and theoretical quantum many-body physics. Yet, due to their size and discontinuity structure, they are challenging to handle numerically. Recently, two advances were made to tackle this problem: first, the overcomplete intermediate representation (OIR), which provides a highly efficient compression of Green's functions in imaginary frequency, and second, partial spectral functions (PSFs), which allow for an efficient evaluation in real frequency. We show that there is a two-to-one correspondence between PSFs and OIR coefficients and exploit this fact to construct the OIR for three-or-more-particle propagators. We then use OIR to fit and compress imaginary-frequency data obtained from the numerical renormalization group (NRG), reaching a compression ratio of more than 400. Finally, we attempt to match the OIR data to partial Green's functions from NRG. Due to the overcompleteness, we achieve only qualitative agreement. Published by the American Physical Society 2024