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    观察缺口纳米力学石墨烯中的手性边缘态

    边沿状态是物理学中一个新兴的概念,已经被研究为操纵电子,光子和声子的有效策略,用于下一代混合电光电路??蒲Ъ乙丫谑┗蚶嗨剖┑牟牧现惺褂昧宋藜湎妒中员咴堤?,以了解诸如量子自旋或谷霍尔效应等奇特的量子现象。向曦及其同事在《科学进展》上发表的新报告中报道了有缝隙的纳米机械石墨烯的实验手性边缘态。具有独立的空间反转对称性的独立式氮化硅纳米机械膜的蜂窝晶格(偶极子存在)。这些构造体在急剧弯曲时不会产生反向散射,并显示出谷动量锁定效应。该团队实现了手性边缘态与著名手性态之间的平稳过渡谷扭结态为在超高频,集成纳米机械系统中进行软石墨烯相关物理学的实验研究打开了大门。

    开发纳米机械石墨烯

    二维(2-D)材料边界处的手性边缘态的存在是凝聚态物理学中的一个有趣现象。众所周知的例子包括量子霍尔(QH)或量子自旋霍尔效应(QSH),其中手性边缘态即使在内部绝缘的情况下也可作为无间隙背散射免疫传导通道。石墨烯是一种理想的二维材料,自从首次实验实现以来就引起了广泛的关注。曲折终止的石墨烯可在其边界处支撑平带边缘状态,从而导致包括磁性和超导性在内的多种现象。石墨烯中的手性边缘态可以通过实验在外部磁场的作用下观察到,尽管也可以在没有外部磁场的情况下利用量子自旋霍尔效应。然而,弱的自旋轨道相互作用使得在石墨烯手性边缘态的实验实现成为一个突出的挑战。研究人员此前曾提出量子谷霍尔效应(QVH)作为在石墨烯中实现手性边缘态的替代策略。在这项工作中,Xi等。通过构建在非常高的频带范围内发挥作用的自立式氮化硅纳米机械膜的间隙纳米机械石墨烯二维蜂窝晶格,通过实验实现了量子谷手性边缘态。该团队将传统的带隙平带石墨烯边缘态调整为无间隙手性态,以开发出一种纳米机械系统,该系统可以产生具有石墨烯相关物理特性的电可调性和强非线性。

    在这项工作中使用的通用石墨烯晶格包含锯齿形边缘和纳米机械蜂窝晶格结构。该小组通过实验实现了带间隙的纳米机械石墨烯,以观察具有量子谷霍尔效应(QVH)的手性边缘态。为此,他们在蜂窝状晶格中构建了二维氮化硅膜阵列。他们首先通过蚀刻氮化硅层中的小孔,在绝缘体上氮化硅晶片上制造了材料,并最终发现纳米机械石墨烯的大部分区域表现出了预期的QVH效应,具有不平凡的谷Chern数(编号可以提供有关波动函数的信息)。Ge等。然后发展了广泛的理论分析,从而为实验上实现纳米力学石墨烯中的手性边缘态奠定了基础。边缘状态的能量响应随边界电位的不同而不同,以提供直观的解释来控制体系中能量状态的分散。

    该团队通过调节带间隙的纳米机械石墨烯的锯齿形边缘处的现场电势来显示实验可控性。在此过程中,他们通过使用恒定电压Vdc和交流电压Vac的组合,电容性地触发膜的挠曲运动,施加到激励电极上,并用自制的迈克尔逊干涉仪以光学波长1570 nm进行光学测量。他们使用千赫兹比例积分微分控制器将检测光束和参考光束锁相在干涉仪中。然后,他们使用了矢量网络分析仪使用与信号检测器同步的示波器来检测设备的频率响应并测量来自光电检测器的信号。在实验过程中,他们专注于石墨烯边缘状态及其向手性边缘状态的过渡,并沿着闭环,三角形边界表征了手性边缘状态。

    无间隙边缘状态和谷扭结状态

    Xi等。接下来,在设置为载波频率为64.65 MHz,脉冲宽度为1 µs,脉冲重复频率为1 KHz的设备中,对由脉冲调制的Vac信号驱动的弹性波的时空分布进行了实验成像,发现无间隙边缘状态为表现出手性繁殖。最重要的是,无间隙边缘状态通过急剧的弯曲而平滑地传播而没有反向散射。类似的无间隙依赖于谷的手性模式也可以存在于具有相反谷Chern值的两个石墨烯区域之间的器件的拓扑畴壁上,称为谷扭结态。这种状态以前仅在体声和机械系统中得到了证明,而在纳米力学中没有得到证明。Xi等。

    他们通过设计和制造另一种带有间隙的纳米机械石墨烯的器件,探索了山谷扭结状态及其与手性边缘态的相似性,并通过实验对设置中的弹性波的时空分布进行了成像。该设置包含一个载波频率为60.53 MHz,脉冲宽度为1.5 µs,脉冲重复频率为1 KHz的脉冲调制Vac信号。然后,处于手征性边缘状态的弹性波平稳地转变为谷扭结状态,并沿着器件的畴壁传播,并在不经历不希望的反向散射的情况下转变回手征性边缘状态。

    通过这种方式,Xian Xi及其同事通过精确控制石墨烯晶格的边界电势,引入了石墨烯和量子谷霍尔(QVH)手性边缘态的概念。研究人员证实,这种状态在拓扑学上不受急剧弯曲的影响,同时表现出谷动量锁定,非常类似于量子自旋霍尔(QSH)系统。Xi等。实现了手性边缘态和众所周知的谷扭结态之间的平滑过渡。手性边缘态也显示出较小的覆盖区,表明了在实践中实现更紧凑拓扑电路的能力。该结果提供了一种新的策略来构建各种以非常高的频率运行的集成纳米机械电路包括单向波导和受拓扑?;さ母咧柿壳坏纳杓品桨?。这项工作将为探索石墨烯状系统(包括石墨烯边缘孤子,放大器和激光器)中的非线性声子学打开新的大门。

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