觀察缺口納米力學(xué)石墨烯中的手性邊緣態(tài)

邊沿狀態(tài)是物理學(xué)中一個新興的概念，已經(jīng)被研究為操縱電子，光子和聲子的有效策略，用于下一代混合電光電路。科學(xué)家已經(jīng)在石墨烯或類似石墨烯的材料中使用了無間隙手性邊緣態(tài)，以了解諸如量子自旋或谷霍爾效應(yīng)等奇特的量子現(xiàn)象。向曦及其同事在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表的新報告中報道了有縫隙的納米機械石墨烯的實驗手性邊緣態(tài)。具有獨立的空間反轉(zhuǎn)對稱性的獨立式氮化硅納米機械膜的蜂窩晶格(偶極子存在)。這些構(gòu)造體在急劇彎曲時不會產(chǎn)生反向散射，并顯示出谷動量鎖定效應(yīng)。該團(tuán)隊實現(xiàn)了手性邊緣態(tài)與著名手性態(tài)之間的平穩(wěn)過渡谷扭結(jié)態(tài)為在超高頻，集成納米機械系統(tǒng)中進(jìn)行軟石墨烯相關(guān)物理學(xué)的實驗研究打開了大門。

開發(fā)納米機械石墨烯

二維(2-D)材料邊界處的手性邊緣態(tài)的存在是凝聚態(tài)物理學(xué)中的一個有趣現(xiàn)象。眾所周知的例子包括量子霍爾(QH)或量子自旋霍爾效應(yīng)(QSH)，其中手性邊緣態(tài)即使在內(nèi)部絕緣的情況下也可作為無間隙背散射免疫傳導(dǎo)通道。石墨烯是一種理想的二維材料，自從首次實驗實現(xiàn)以來就引起了廣泛的關(guān)注。曲折終止的石墨烯可在其邊界處支撐平帶邊緣狀態(tài)，從而導(dǎo)致包括磁性和超導(dǎo)性在內(nèi)的多種現(xiàn)象。石墨烯中的手性邊緣態(tài)可以通過實驗在外部磁場的作用下觀察到，盡管也可以在沒有外部磁場的情況下利用量子自旋霍爾效應(yīng)。然而，弱的自旋軌道相互作用使得在石墨烯手性邊緣態(tài)的實驗實現(xiàn)成為一個突出的挑戰(zhàn)。研究人員此前曾提出量子谷霍爾效應(yīng)(QVH)作為在石墨烯中實現(xiàn)手性邊緣態(tài)的替代策略。在這項工作中，Xi等。通過構(gòu)建在非常高的頻帶范圍內(nèi)發(fā)揮作用的自立式氮化硅納米機械膜的間隙納米機械石墨烯二維蜂窩晶格，通過實驗實現(xiàn)了量子谷手性邊緣態(tài)。該團(tuán)隊將傳統(tǒng)的帶隙平帶石墨烯邊緣態(tài)調(diào)整為無間隙手性態(tài)，以開發(fā)出一種納米機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生具有石墨烯相關(guān)物理特性的電可調(diào)性和強非線性。

在這項工作中使用的通用石墨烯晶格包含鋸齒形邊緣和納米機械蜂窩晶格結(jié)構(gòu)。該小組通過實驗實現(xiàn)了帶間隙的納米機械石墨烯，以觀察具有量子谷霍爾效應(yīng)(QVH)的手性邊緣態(tài)。為此 考古學(xué)，他們在蜂窩狀晶格中構(gòu)建了二維氮化硅膜陣列。他們首先通過蝕刻氮化硅層中的小孔，在絕緣體上氮化硅晶片上制造了材料，并最終發(fā)現(xiàn)納米機械石墨烯的大部分區(qū)域表現(xiàn)出了預(yù)期的QVH效應(yīng)，具有不平凡的谷Chern數(shù)(編號可以提供有關(guān)波動函數(shù)的信息)。Ge等。然后發(fā)展了廣泛的理論分析，從而為實驗上實現(xiàn)納米力學(xué)石墨烯中的手性邊緣態(tài)奠定了基礎(chǔ)。邊緣狀態(tài)的能量響應(yīng)隨邊界電位的不同而不同，以提供直觀的解釋來控制體系中能量狀態(tài)的分散。

該團(tuán)隊通過調(diào)節(jié)帶間隙的納米機械石墨烯的鋸齒形邊緣處的現(xiàn)場電勢來顯示實驗可控性。在此過程中，他們通過使用恒定電壓Vdc和交流電壓Vac的組合，電容性地觸發(fā)膜的撓曲運動，施加到激勵電極上，并用自制的邁克爾遜干涉儀以光學(xué)波長1570 nm進(jìn)行光學(xué)測量。他們使用千赫茲比例積分微分控制器將檢測光束和參考光束鎖相在干涉儀中。然后 科學(xué)，他們使用了矢量**分析儀使用與信號檢測器同步的示波器來檢測設(shè)備的頻率響應(yīng)并測量來自光電檢測器的信號。在實驗過程中，他們專注于石墨烯邊緣狀態(tài)及其向手性邊緣狀態(tài)的過渡，并沿著閉環(huán)，三角形邊界表征了手性邊緣狀態(tài)。

無間隙邊緣狀態(tài)和谷扭結(jié)狀態(tài)

Xi等。接下來，在設(shè)置為載波頻率為64.65 MHz，脈沖寬度為1 μs，脈沖重復(fù)頻率為1 KHz的設(shè)備中，對由脈沖調(diào)制的Vac信號驅(qū)動的彈性波的時空分布進(jìn)行了實驗成像，發(fā)現(xiàn)無間隙邊緣狀態(tài)為表現(xiàn)出手性繁殖。最重要的是，無間隙邊緣狀態(tài)通過急劇的彎曲而平滑地傳播而沒有反向散射。類似的無間隙依賴于谷的手性模式也可以存在于具有相反谷Chern值的兩個石墨烯區(qū)域之間的器件的拓?fù)洚牨谏?，稱為谷扭結(jié)態(tài)。這種狀態(tài)以前僅在體聲和機械系統(tǒng)中得到了證明，而在納米力學(xué)中沒有得到證明。Xi等。

他們通過設(shè)計和制造另一種帶有間隙的納米機械石墨烯的器件，探索了山谷扭結(jié)狀態(tài)及其與手性邊緣態(tài)的相似性，并通過實驗對設(shè)置中的彈性波的時空分布進(jìn)行了成像。該設(shè)置包含一個載波頻率為60.53 MHz，脈沖寬度為1.5 μs，脈沖重復(fù)頻率為1 KHz的脈沖調(diào)制Vac信號。然后，處于手征性邊緣狀態(tài)的彈性波平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣扰そY(jié)狀態(tài)，并沿著器件的疇壁傳播，并在不經(jīng)歷不希望的反向散射的情況下轉(zhuǎn)變回手征性邊緣狀態(tài)。

通過這種方式，Xian Xi及其同事通過精確控制石墨烯晶格的邊界電勢，引入了石墨烯和量子谷霍爾(QVH)手性邊緣態(tài)的概念。研究人員證實，這種狀態(tài)在拓?fù)鋵W(xué)上不受急劇彎曲的影響，同時表現(xiàn)出谷動量鎖定，非常類似于量子自旋霍爾(QSH)系統(tǒng)。Xi等。實現(xiàn)了手性邊緣態(tài)和眾所周知的谷扭結(jié)態(tài)之間的平滑過渡。手性邊緣態(tài)也顯示出較小的覆蓋區(qū)，表明了在實踐中實現(xiàn)更緊湊拓?fù)潆娐返哪芰?。該結(jié)果提供了一種新的策略來構(gòu)建各種以非常高的頻率運行的集成納米機械電路包括單向波導(dǎo)和受拓?fù)浔Ｗo(hù)的高質(zhì)量腔的設(shè)計方案。這項工作將為探索石墨烯狀系統(tǒng)(包括石墨烯邊緣孤子，放大器和激光器)中的非線性聲子學(xué)打開新的大門。