Randtoestanden zijn een opkomend concept in de natuurkunde en zijn onderzocht als een efficiënte strategie om elektronen te manipuleren, fotonen en fononen voor hybride elektro-optomechanische circuits van de volgende generatie. Wetenschappers hebben gapless chirale randtoestanden in grafeen of grafeenachtige materialen gebruikt om exotische kwantumfenomenen zoals kwantumspin of Valley Hall-effecten te begrijpen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Xiang Xi en collega's rapporteerden over experimentele chirale randtoestanden in nanomechanisch grafeen met gaten; een honingraatrooster van vrijstaande siliciumnitride nanomechanische membranen met gebroken ruimtelijke inversiesymmetrie (aanwezigheid van een dipool). De constructen waren immuun tegen terugverstrooiing in scherpe bochten en vertoonden het dal-momentum-vergrendelingseffect. Het team realiseerde een soepele overgang tussen de chirale randtoestanden en de bekende kniktoestanden in de vallei om de deur te openen voor experimenteel onderzoek van zachte grafeen-gerelateerde fysica in zeer hoge frequentie, geïntegreerde nanomechanische systemen.

Ontwikkeling van nanomechanisch grafeen

De aanwezigheid van chirale randtoestanden aan de grens van tweedimensionale (2-D) materialen is een intrigerend fenomeen in de fysica van de gecondenseerde materie. Bekende voorbeelden zijn onder meer quantum Hall (QH) of quantum spin Hall-effecten (QSH), waar de chirale randtoestanden fungeren als gapless terugverstrooiende immuungeleidende kanalen, zelfs met isolerende interieurs. Grafeen is een ideaal 2D-materiaal dat sinds de eerste experimentele realisatie grote belangstelling heeft gewekt. Grafeen met een zigzag-eindgroep kan een vlakbandige randtoestand aan de grens ondersteunen, wat leidt tot een verscheidenheid aan verschijnselen, waaronder magnetisme en supergeleiding. De chirale randtoestanden in grafeen kunnen experimenteel worden waargenomen vanwege het kwantum Hall-effect met een extern magnetisch veld, hoewel het ook mogelijk is om het kwantumspin Hall-effect te benutten zonder een extern magnetisch veld. Echter, de zwakke spin-orbit-interactie had de experimentele realisatie van chirale randtoestanden in grafeen tot een uitstekende uitdaging gemaakt. Onderzoekers hadden eerder het Quantum Valley Hall-effect (QVH) voorgesteld als een alternatieve strategie om chirale randtoestanden in grafeen te realiseren. In dit werk, Xi et al. heeft experimenteel de chirale randtoestanden van de kwantumvallei gerealiseerd door een gespleten nanomechanisch grafeen 2-D honingraatrooster van vrijstaande siliciumnitride nanomechanische membranen te construeren die werken op een zeer hoge bandfrequentieregime. Het team stemde de conventionele vlakke-band grafeenrandtoestanden af ​​op gapless chirale toestanden om een ​​nanomechanisch systeem te ontwikkelen dat grafeengerelateerde fysica kan genereren met elektrische afstembaarheid en sterke niet-lineariteit.

Het generieke grafeenrooster dat in dit werk werd gebruikt, bevatte een zigzagrand en een nanomechanische honingraatroosterarchitectuur. Het team realiseerde experimenteel het gespleten nanomechanische grafeen om chirale randtoestanden te observeren met Quantum Valley Hall-effecten (QVH). Voor deze, ze construeerden een 2D-array van siliciumnitridemembranen in een honingraatrooster. Ze fabriceerden eerst materialen op een siliciumnitride-op-isolatorwafel door kleine gaatjes in de siliciumnitridelaag te etsen en vonden uiteindelijk dat het bulkgebied van het nanomechanische grafeen de verwachte QVH-effecten vertoonde met niet-triviale vallei-Chern-nummers (Chern-nummers kunnen informatie verschaffen over de golffunctie). Ge et al. ontwikkelde vervolgens uitgebreide theoretische analyses om de basis te vormen voor het experimenteel realiseren van chirale randtoestanden in nanomechanisch grafeen. De energierespons van de randtoestanden verschilde met het grenspotentieel om een ​​intuïtieve verklaring te bieden om de spreiding van de energietoestanden binnen de architectuur te regelen.

Het team toonde de experimentele beheersbaarheid door het on-site potentieel aan de zigzagranden van het gespleten nanomechanische grafeen af ​​te stemmen. Tijdens het proces, ze activeerden de buigbewegingen van de membranen elektrocapacitief door een combinatie van constante spanning Vdc en wisselspanning Vac te gebruiken, aangebracht op de excitatie-elektrode en optisch gemeten met een zelfgebouwde Michelson-interferometer die werkt bij een optische golflengte van 1570 nm. Ze hebben de detectiestraal en de referentiestraal in de interferometer in fase vergrendeld met behulp van een kilohertz proportioneel-integraal-afgeleide controller. Vervolgens gebruikten ze een vectornetwerkanalysator om de frequentierespons van de apparaten te detecteren en maten de signalen van de fotodetector met behulp van een oscilloscoop die was gesynchroniseerd met de signaaldetector. Tijdens de experimenten, ze concentreerden zich op de grafeenrandtoestanden en hun overgang naar chirale randtoestanden en karakteriseerden de chirale randtoestanden langs een gesloten lus, driehoekige grens.

Xi et al. vervolgens experimenteel de spatiotemporele profielen van de elastische golven in beeld gebracht door een pulsgemoduleerd Vac-signaal in de opstelling met een draaggolffrequentie van 64,65 MHz, een pulsbreedte van 1 µs en een pulsherhalingsfrequentie van 1 KHz en vonden dat de gapless edge-toestanden chirale propagatie vertoonden. Het belangrijkste is, de gapless edge-toestanden verspreidden zich soepel door scherpe bochten zonder terugverstrooiing. Soortgelijke gapless vallei-afhankelijke chirale modi zouden ook kunnen bestaan ​​​​aan de topologische domeinmuren van het apparaat tussen twee grafeenregio's met tegenovergestelde vallei Chern-nummers, aangeduid als vallei knik staten. Dergelijke toestanden werden eerder alleen aangetoond in bulk akoestische en mechanische systemen, en niet in nanomechanica. Xi et al. toonde vervolgens experimenteel de nanomechanische dalkniktoestanden en vloeiende overgangen tussen de chirale randtoestanden en dalkniktoestanden.

Ze onderzochten de kniktoestanden in de vallei en hun gelijkenis met chirale randtoestanden door een ander apparaat te ontwerpen en te fabriceren met nanomechanisch grafeen met gaten en experimenteel de ruimte-tijdprofielen van de elastische golven in de opstelling in beeld te brengen. De opstelling bevatte een pulsgemoduleerd Vac-signaal met een draaggolffrequentie van 60,53 MHz, een pulsbreedte van 1,5 µs en een pulsherhalingsfrequentie van 1 KHz. De elastische golven in de chirale randtoestanden transformeerden vervolgens soepel in de kniktoestanden van de vallei en propageerden zich langs de domeinwanden van het apparaat en transformeerden terug naar de chirale randtoestanden zonder ongewenste terugverstrooiing te ondergaan.

Op deze manier, Xiang Xi en collega's introduceerden het concept van grafeen en de kwantumvallei Hall (QVH) chirale randtoestanden door de grenspotentialen van het grafeenrooster nauwkeurig te regelen. De onderzoekers bevestigden dat de staten topologisch immuun zijn tegen scherpe bochten terwijl ze een vergrendeling van het dal-momentum vertoonden, net als quantum spin Hall (QSH) -systemen. Xi et al. realiseerde een soepele overgang tussen toestanden van chirale randen en bekende kniktoestanden in de vallei. De chirale randstaten vertoonden ook een kleinere voetafdruk, het aantonen van de capaciteit om compactere topologische circuits in de praktijk mogelijk te maken. De resultaten bieden een nieuwe strategie om een ​​verscheidenheid aan geïntegreerde nanomechanische circuits te construeren die functioneren bij zeer hoge frequentieregimes, waaronder unidirectionele golfgeleiders en topologisch beschermde holtes van hoge kwaliteit. Het werk zal nieuwe deuren openen om niet-lineaire phononics in grafeenachtige systemen te verkennen, waaronder grafeen-edge solitons, versterkers en lasers.

© 2021 Science X Network