Gli stati limite sono un concetto emergente in fisica e sono stati esplorati come una strategia efficiente per manipolare gli elettroni, fotoni e fononi per circuiti elettro-optomeccanici ibridi di nuova generazione. Gli scienziati hanno utilizzato stati di bordo chirali gapless in grafene o materiali simili al grafene per comprendere fenomeni quantistici esotici come lo spin quantistico o gli effetti di Hall della valle. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Xiang Xi e colleghi hanno riportato gli stati sperimentali del bordo chirale nel grafene nanomeccanico gappato; un reticolo a nido d'ape di membrane nanomeccaniche di nitruro di silicio autoportanti con simmetria di inversione spaziale rotta (presenza di un dipolo). I costrutti erano immuni contro il backscattering in curve strette e mostravano l'effetto di blocco del momento di valle. Il team ha realizzato una transizione graduale tra gli stati del bordo chirale e i ben noti stati di kink della valle per aprire la porta a indagini sperimentali sulla fisica correlata al grafene morbido in frequenze molto alte, sistemi nanomeccanici integrati.

Sviluppo di grafene nanomeccanico

La presenza di stati di bordo chirali al confine di materiali bidimensionali (2-D) è un fenomeno interessante nella fisica della materia condensata. Esempi ben noti includono effetti Hall quantistici (QH) o effetti Hall quantistici di spin (QSH), dove gli stati del bordo chirale agiscono come canali immunoconduttori di backscattering gapless anche con interni isolanti. Il grafene è un materiale 2-D ideale che ha suscitato ampi interessi sin dalla sua prima realizzazione sperimentale. Il grafene con terminazione a zigzag può supportare uno stato di bordo a banda piatta al suo confine che porta a una varietà di fenomeni tra cui magnetismo e superconduttività. Gli stati del bordo chirale nel grafene possono essere osservati sperimentalmente a causa dell'effetto Hall quantistico con un campo magnetico esterno, sebbene sia anche possibile sfruttare l'effetto Hall di spin quantistico senza un campo magnetico esterno. Però, la debole interazione spin-orbita aveva reso la realizzazione sperimentale di stati di bordo chirali in grafene una sfida eccezionale. I ricercatori avevano precedentemente proposto l'effetto Hall della valle quantistica (QVH) come strategia alternativa per realizzare stati di bordo chirali nel grafene. In questo lavoro, Xi et al. realizzato sperimentalmente gli stati del bordo chirale della valle quantistica costruendo un reticolo a nido d'ape 2-D di grafene nanomeccanico gappato di membrane nanomeccaniche di nitruro di silicio indipendenti che funzionano a un regime di frequenza di banda molto alta. Il team ha sintonizzato gli stati convenzionali del bordo del grafene a banda piatta gapped su stati chirali gapless per sviluppare un sistema nanomeccanico in grado di generare fisica correlata al grafene con sintonizzabilità elettrica e forte non linearità.

Il generico reticolo di grafene utilizzato in questo lavoro conteneva un bordo a zigzag e un'architettura reticolare a nido d'ape nanomeccanica. Il team ha realizzato sperimentalmente il grafene nanomeccanico gappato per osservare gli stati del bordo chirale con effetti Hall della valle quantistica (QVH). Per questo, hanno costruito una matrice 2-D di membrane di nitruro di silicio in un reticolo a nido d'ape. Per prima cosa hanno fabbricato materiali su un wafer di nitruro di silicio su isolante incidendo piccoli fori nello strato di nitruro di silicio e alla fine hanno scoperto che la regione di massa del grafene nanomeccanico mostra gli effetti QVH previsti con i numeri di Chern della valle non banali (i numeri di Chern possono fornire informazioni sulla funzione d'onda). Get et al. ha quindi sviluppato ampie analisi teoriche per formare la base per realizzare sperimentalmente stati di bordo chirali nel grafene nanomeccanico. La risposta energetica degli stati limite differiva con il potenziale di confine per fornire una spiegazione intuitiva per controllare la dispersione degli stati energetici all'interno dell'architettura.

Il team ha mostrato la controllabilità sperimentale sintonizzando il potenziale in loco ai bordi a zig-zag del grafene nanomeccanico gappato. Durante il processo, hanno innescato i moti flessionali delle membrane in modo elettrocapacitivo utilizzando una combinazione di tensione costante Vdc e tensione alternata Vac, applicato all'elettrodo di eccitazione e misurato otticamente con un interferometro Michelson autocostruito funzionante a una lunghezza d'onda ottica di 1570 nm. Hanno bloccato la fase del raggio di rilevamento e del raggio di riferimento nell'interferometro utilizzando un controller proporzionale-integrale-derivato a kilohertz. Hanno quindi utilizzato un analizzatore di rete vettoriale per rilevare la risposta in frequenza dei dispositivi e misurato i segnali dal fotorilevatore utilizzando un oscilloscopio sincronizzato con il rilevatore di segnale. Durante gli esperimenti, si sono concentrati sugli stati del bordo del grafene e sulla loro transizione agli stati del bordo chirale e hanno caratterizzato gli stati del bordo chirale lungo un circuito chiuso, confine triangolare.

Xi et al. successivamente ripreso sperimentalmente i profili spazio-temporali delle onde elastiche guidate da un segnale Vac modulato a impulsi nel setup con una frequenza portante di 64,65 MHz, una larghezza di impulso di 1 µs e una frequenza di ripetizione dell'impulso di 1 KHz e ha riscontrato che gli stati del bordo gapless mostrano una propagazione chirale. Più importante, gli stati del bordo gapless si sono propagati uniformemente attraverso curve strette senza retrodiffusione. Simili modalità chirali dipendenti dalla valle potrebbero esistere anche sulle pareti del dominio topologico del dispositivo tra due regioni di grafene con numeri di Chern di valle opposti, denominati stati del nodo della valle. Tali stati sono stati precedentemente dimostrati solo in sistemi acustici e meccanici sfusi, e non in nanomeccanica. Xi et al. poi hanno mostrato sperimentalmente gli stati di kink di valle nanomeccanici e le transizioni graduali tra gli stati di bordo chirali e gli stati di kink di valle.

Hanno esplorato gli stati di piegatura della valle e la loro somiglianza con gli stati del bordo chirale progettando e fabbricando un altro dispositivo con grafene nanomeccanico gapped e hanno ripreso sperimentalmente i profili spazio-temporali delle onde elastiche nella configurazione. La configurazione conteneva un segnale Vac modulato a impulsi con una frequenza portante di 60,53 MHz, una larghezza di impulso di 1,5 µs e una frequenza di ripetizione dell'impulso di 1 KHz. Le onde elastiche negli stati di bordo chirali si sono poi trasformate dolcemente negli stati di kink di valle e si sono propagate lungo le pareti del dominio del dispositivo e si sono trasformate nuovamente negli stati di bordo chirali senza subire retrodiffusione indesiderata.

In questo modo, Xiang Xi e colleghi hanno introdotto il concetto di grafene e gli stati di bordo chirale di quantum Valley Hall (QVH) controllando accuratamente i potenziali di confine del reticolo di grafene. I ricercatori hanno confermato che gli stati sono topologicamente immuni dalle curve strette mentre esibiscono il blocco del momento di valle, proprio come i sistemi di spin quantistica Hall (QSH). Xi et al. realizzato una transizione graduale tra gli stati dei bordi chirali e gli stati di piegatura della valle ben noti. Gli stati del bordo chirale hanno anche dimostrato un'impronta minore, dimostrando la capacità di abilitare in pratica circuiti topologici più compatti. I risultati forniscono una nuova strategia per costruire una varietà di circuiti nanomeccanici integrati funzionanti a regimi di frequenza molto elevata, comprese guide d'onda unidirezionali e cavità di alta qualità topologicamente protette. Il lavoro aprirà nuove porte per esplorare la fononica non lineare in sistemi simili al grafene, inclusi solitoni a bordo di grafene, amplificatori e laser.

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