Observation af chirale kanttilstande i gapped nanomekanisk grafen

Kanttilstande er et spirende koncept i fysik og er blevet udforsket som en effektiv strategi til at manipulere elektroner, fotoner og fononer til næste generation af hybride elektro-optomekaniske kredsløb. Forskere har brugt gapless chirale kanttilstande i grafen eller grafenlignende materialer til at forstå eksotiske kvantefænomener såsom kvantespin eller dal Hall-effekter. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Xiang Xi og kolleger rapporterede om eksperimentelle chirale kanttilstande i gapped nanomekanisk grafen; et honeycomb gitter af fritstående siliciumnitrid nanomekaniske membraner med brudt rumlig inversionssymmetri (tilstedeværelse af en dipol). Konstruktionerne var immune mod tilbagespredning i skarpe bøjninger og udviste dalen-momentum-låseeffekten. Holdet realiserede en glidende overgang mellem de chirale kanttilstande og de velkendte dalknæktilstande for at åbne døren for eksperimentelle undersøgelser af blød grafen-relateret fysik i meget høj frekvens, integrerede nanomekaniske systemer.

Udvikling af nanomekanisk grafen

Tilstedeværelsen af ​​chirale kanttilstande ved grænsen af ​​todimensionelle (2-D) materialer er et spændende fænomen i det kondenserede stofs fysik. Velkendte eksempler inkluderer quantum Hall (QH) eller quantum spin Hall effekter (QSH), hvor de chirale kanttilstande fungerer som spredningsfri tilbagespredning af immunledende kanaler selv med isolerende indre. Grafen er et ideelt 2D-materiale, der har tiltrukket sig omfattende interesser siden dets første eksperimentelle realisering. Zigzag-termineret grafen kan understøtte en fladbåndskanttilstand ved dens grænse, hvilket fører til en række fænomener, herunder magnetisme og superledning. De chirale kanttilstande i grafen kan observeres eksperimentelt på grund af kvante Hall-effekten med et eksternt magnetfelt, selvom det også er muligt at udnytte kvantespin Hall-effekten uden et eksternt magnetfelt. Imidlertid, den svage spin-orbit-interaktion havde gjort den eksperimentelle realisering af chirale kanttilstande i grafen til en enestående udfordring. Forskere havde tidligere foreslået quantum valley Hall-effekten (QVH) som en alternativ strategi til at realisere chirale kanttilstande i grafen. I dette arbejde, Xi et al. eksperimentelt realiseret kvantedalens chirale kanttilstande ved at konstruere et gabet nanomekanisk grafen 2-D honeycomb gitter af fritstående siliciumnitrid nanomekaniske membraner, der fungerer ved et meget højt båndfrekvensregime. Holdet tunede de konventionelle gapped flat-band grafen kanttilstande til gapless chirale tilstande for at udvikle et nanomekanisk system, der kan generere grafen-relateret fysik med elektrisk afstemning og stærk ikke-linearitet.

Det generiske grafengitter, der blev brugt i dette arbejde, indeholdt en zigzag-kant og en nanomekanisk honeycomb-gitterarkitektur. Holdet indså eksperimentelt den gabende nanomekaniske grafen for at observere chirale kanttilstande med kvantedal-hall-effekter (QVH). For det, de konstruerede et 2-D-array af siliciumnitridmembraner i et honeycomb-gitter. De fremstillede først materialer på en siliciumnitrid-på-isolatorwafer ved at ætse små huller i siliciumnitridlaget og fandt til sidst, at hoveddelen af ​​den nanomekaniske grafen udviste de forventede QVH-effekter med ikke-trivielle Chern-tal i dalen (Chern-tal kan give information om bølgefunktionen). Ge et al. udviklede derefter omfattende teoretiske analyser for at danne grundlag for eksperimentelt at realisere chirale kanttilstande i nanomekanisk grafen. Kanttilstandenes energirespons adskilte sig med grænsepotentialet for at give en intuitiv forklaring til at kontrollere spredningen af ​​energitilstandene i arkitekturen.

Holdet viste den eksperimentelle kontrollerbarhed ved at justere potentialet på stedet ved zig-zag-kanterne af den gabende nanomekaniske grafen. Under processen, de udløste membranernes bøjningsbevægelser elektrokapacitivt ved at bruge en kombination af konstant spænding Vdc og vekselspænding Vac, påført på excitationselektroden og målt optisk med et hjemmebygget Michelson interferometer, der fungerer ved en optisk bølgelængde på 1570 nm. De faselåste detekteringsstrålen og referencestrålen i interferometeret ved at bruge en kilohertz proportional-integral-afledt controller. De brugte derefter en vektornetværksanalysator til at detektere enhedernes frekvensrespons og målte signalerne fra fotodetektoren ved hjælp af et oscilloskop synkroniseret med signaldetektoren. Under forsøgene, de fokuserede på grafen-kanttilstande og deres overgang til chirale kanttilstande og karakteriserede de chirale kanttilstande langs en lukket sløjfe, trekantformet grænse.

Xi et al. dernæst eksperimentelt afbildet de spatiotemporale profiler af de elastiske bølger drevet af et pulsmoduleret Vac-signal i opsætningen med en bærefrekvens på 64,65 MHz, en pulsbredde på 1 µs og en pulsgentagelseshastighed på 1 KHz og fandt, at de mellemrumsfrie kanttilstande udviste chiral udbredelse. Mest vigtigt, de gabløse kanttilstande forplantede sig jævnt gennem skarpe bøjninger uden tilbagespredning. Lignende kløftløse dalafhængige chirale tilstande kunne også eksistere ved enhedens topologiske domænevægge mellem to grafenregioner med modsatte dal-Chern-tal, omtalt som dalknæktilstande. Sådanne tilstande blev tidligere demonstreret i bulk akustiske og mekaniske systemer alene, og ikke i nanomekanik. Xi et al. viste derefter eksperimentelt de nanomekaniske dalknæktilstande og glatte overgange mellem de chirale kanttilstande og dalknæktilstande.

De udforskede dalens kink-tilstande og deres lighed med chirale kanttilstande ved at designe og fremstille en anden enhed med gapped nanomekanisk grafen og eksperimentelt afbilde rum-tidsprofilerne af de elastiske bølger i opsætningen. Opsætningen indeholdt et pulsmoduleret Vac-signal med en bærefrekvens på 60,53 MHz, en pulsbredde på 1,5 µs og en pulsgentagelseshastighed på 1 KHz. De elastiske bølger i de chirale kanttilstande transformeredes derefter jævnt til dalens knæktilstande og forplantede sig langs indretningens domænevægge og transformeredes tilbage til de chirale kanttilstande uden at undergå uønsket tilbagespredning.

På denne måde Xiang Xi og kolleger introducerede begrebet grafen og quantum valley Hall (QVH) chirale kanttilstande ved nøjagtigt at kontrollere grænsepotentialerne for grafengitteret. Forskerne bekræftede, at staterne er topologisk immune mod skarpe bøjninger, mens de udviser dalmomentum-låsning, meget ligesom quantum spin Hall (QSH) systemer. Xi et al. realiserede glidende overgang mellem chirale kanttilstande og velkendte dalknæktilstande. De chirale kanttilstande viste også et mindre fodaftryk, demonstrerer kapaciteten til at muliggøre mere kompakte topologiske kredsløb i praksis. Resultaterne giver en ny strategi til at konstruere en række integrerede nanomekaniske kredsløb, der fungerer ved meget højfrekvente regimer, herunder ensrettede bølgeledere og topologisk beskyttede højkvalitetshulrum. Arbejdet vil åbne nye døre til at udforske ikke-lineær fononik i grafenlignende systemer, herunder grafenkant-solitoner, forstærkere og lasere.

© 2021 Science X Network