Kanttillstånd är ett framväxande begrepp inom fysiken och har utforskats som en effektiv strategi för att manipulera elektroner, fotoner och fononer för nästa generations hybridelektroptomekaniska kretsar. Forskare har använt gaplösa kirala kanttillstånd i grafen eller grafenliknande material för att förstå exotiska kvantfenomen som kvantspinn eller dalhalleffekter. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Xiang Xi och kollegor rapporterade om experimentella kirala kanttillstånd i gapad nanomekanisk grafen; ett bikakegitter av fristående nanomekaniska kiselnitridmembran med bruten rumslig inversionssymmetri (närvaro av en dipol). Konstruktionerna var immuna mot tillbakaspridning i skarpa kurvor och uppvisade en dalmomentumlåsningseffekt. Teamet insåg en smidig övergång mellan de kirala kanttillstånden och de välkända dalvikningstillstånden för att öppna dörren för experimentella undersökningar av mjuk grafenrelaterad fysik i mycket hög frekvens, integrerade nanomekaniska system.

Utveckla nanomekanisk grafen

Närvaron av kirala kanttillstånd vid gränsen av tvådimensionella (2-D) material är ett spännande fenomen inom den kondenserade materiens fysik. Välkända exempel inkluderar quantum Hall (QH) eller quantum spin Hall-effekter (QSH), där de kirala kanttillstånden fungerar som gaplösa tillbakaspridande immunledande kanaler även med isolerande interiörer. Grafen är ett idealiskt 2D-material som har väckt stora intressen sedan det första experimentella förverkligandet. Zigzag-terminerad grafen kan stödja ett platt-band kanttillstånd vid dess gräns, vilket leder till en mängd olika fenomen inklusive magnetism och supraledning. De kirala kanttillstånden i grafen kan observeras experimentellt på grund av kvant-Hall-effekten med ett externt magnetfält, även om det också är möjligt att utnyttja quantum spin Hall-effekten utan ett externt magnetfält. Dock, den svaga spin-omloppsinteraktionen hade gjort det experimentella förverkligandet av kirala kanttillstånd i grafen till en enastående utmaning. Forskare hade tidigare föreslagit quantum valley Hall-effekten (QVH) som en alternativ strategi för att realisera kirala kanttillstånd i grafen. I det här arbetet, Xi et al. experimentellt realiserade kvantdalens kirala kanttillstånd genom att konstruera ett gapat nanomekaniskt grafen 2-D bikakegitter av fristående nanomekaniska kiselnitridmembran som fungerar vid en mycket hög bandfrekvens. Teamet justerade de konventionella gapade plattbandsgrafenkanttillstånden till gaplösa kirala tillstånd för att utveckla ett nanomekaniskt system som kan generera grafenrelaterad fysik med elektrisk avstämning och stark olinjäritet.

Det generiska grafengittret som användes i detta arbete innehöll en sicksackkant och en nanomekanisk bikakegitterarkitektur. Teamet insåg experimentellt den gapade nanomekaniska grafenen för att observera kirala kanttillstånd med kvantdalshalleffekter (QVH). För detta, de konstruerade en 2D-array av kiselnitridmembran i ett bikakenät. De tillverkade först material på en kiselnitrid-på-isolatorskiva genom att etsa små hål i kiselnitridskiktet och fann slutligen huvuddelen av den nanomekaniska grafenen för att uppvisa de förväntade QVH-effekterna med icke-triviala Chern-tal i dalen (Chern-nummer kan ge information om vågfunktionen). Ge et al. utvecklade sedan omfattande teoretiska analyser för att ligga till grund för att experimentellt realisera kirala kanttillstånd i nanomekanisk grafen. Kanttillståndens energisvar skilde sig med gränspotentialen för att ge en intuitiv förklaring för att kontrollera spridningen av energitillstånden inom arkitekturen.

Teamet visade den experimentella kontrollerbarheten genom att justera potentialen på plats vid sicksackkanterna av den gapade nanomekaniska grafenen. Under processen, de utlöste membranens böjningsrörelser elektrokapacitivt genom att använda en kombination av konstant spänning Vdc och växelspänning Vac, appliceras på excitationselektroden och mäts optiskt med en hemmabyggd Michelson-interferometer som fungerar vid en optisk våglängd av 1570 nm. De faslåste detekteringsstrålen och referensstrålen i interferometern genom att använda en kilohertz proportionell-integral-derivata styrenhet. De använde sedan en vektornätverksanalysator för att detektera enheternas frekvenssvar och mätte signalerna från fotodetektorn med hjälp av ett oscilloskop synkroniserat med signaldetektorn. Under experimenten, de fokuserade på grafenkanttillstånden och deras övergång till kirala kanttillstånd och karakteriserade de kirala kanttillstånden längs en sluten slinga, triangelformad gräns.

Xi et al. avbildade sedan experimentellt de spatiotemporala profilerna för de elastiska vågorna som drivs av en pulsmodulerad Vac-signal i uppställningen med en bärvågsfrekvens på 64,65 MHz, en pulsbredd på 1 µs och en pulsrepetitionshastighet på 1 KHz och fann att de gapfria kanttillstånden uppvisade kiral utbredning. Viktigast, de gaplösa kanttillstånden fortplantade sig smidigt genom skarpa böjar utan backscatter. Liknande gaplösa dalberoende kirala lägen kan också existera vid enhetens topologiska domänväggar mellan två grafenregioner med motsatta dal Chern-nummer, hänvisade till som dalknäcktillstånd. Sådana tillstånd har tidigare demonstrerats enbart i bulk akustiska och mekaniska system, och inte i nanomekanik. Xi et al. visade sedan experimentellt de nanomekaniska dalens kinktillstånd och mjuka övergångar mellan de kirala kanttillstånden och dalvikningstillstånden.

De utforskade dalens kinktillstånd och deras likhet med kirala kanttillstånd genom att designa och tillverka en annan enhet med gapad nanomekanisk grafen och experimentellt avbildade rum-tidsprofilerna för de elastiska vågorna i uppställningen. Uppställningen innehöll en pulsmodulerad Vac-signal med en bärfrekvens på 60,53 MHz, en pulsbredd på 1,5 µs och en pulsrepetitionshastighet på 1 KHz. De elastiska vågorna i de kirala kanttillstånden omvandlades sedan mjukt till dalens kinktillstånd och fortplantade sig längs anordningens domänväggar och transformerades tillbaka till de kirala kanttillstånden utan att genomgå oönskad tillbakaspridning.

På det här sättet, Xiang Xi och kollegor introducerade begreppet grafen och quantum valley Hall (QVH) kirala kanttillstånd genom att noggrant kontrollera gränspotentialerna för grafengittret. Forskarna bekräftade att staterna är topologiskt immuna mot skarpa böjar samtidigt som de uppvisar dalmomentumlåsning, ungefär som quantum spin Hall (QSH) system. Xi et al. realiserad mjuk övergång mellan kirala kanttillstånd och välkända dalknäcktillstånd. De chirala kanttillstånden visade också ett mindre fotavtryck, demonstrerar förmågan att möjliggöra mer kompakta topologiska kretsar i praktiken. Resultaten ger en ny strategi för att konstruera en mängd olika integrerade nanomekaniska kretsar som fungerar vid mycket högfrekventa regimer, inklusive enkelriktade vågledare och topologiskt skyddade högkvalitativa hålrum. Arbetet kommer att öppna nya dörrar för att utforska icke-linjär fononik i grafenliknande system inklusive grafenkantssolitoner, förstärkare och lasrar.

© 2021 Science X Network