Los estados de borde son un concepto emergente en física y se han explorado como una estrategia eficiente para manipular electrones, fotones y fonones para circuitos electro-optomecánicos híbridos de próxima generación. Los científicos han utilizado estados de borde quirales sin espacios en el grafeno o materiales similares al grafeno para comprender fenómenos cuánticos exóticos como el giro cuántico o los efectos Hall del valle. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Xiang Xi y sus colegas informaron sobre estados de borde quirales experimentales en grafeno nanomecánico con huecos; una red en forma de panal de membranas nanomecánicas independientes de nitruro de silicio con simetría de inversión espacial rota (presencia de un dipolo). Las construcciones eran inmunes a la retrodispersión en curvas cerradas y exhibían el efecto de bloqueo del momento del valle. El equipo se dio cuenta de una transición suave entre los estados del borde quiral y los conocidos estados de torcedura del valle para abrir la puerta a las investigaciones experimentales de la física relacionada con el grafeno blando en muy alta frecuencia. sistemas nanomecánicos integrados.

Desarrollando grafeno nanomecánico

La presencia de estados de borde quirales en el límite de materiales bidimensionales (2-D) es un fenómeno intrigante en la física de la materia condensada. Ejemplos bien conocidos incluyen los efectos de Hall cuántico (QH) o de efecto Hall de espín cuántico (QSH), donde los estados de borde quirales actúan como canales de conducción inmune de retrodispersión sin espacios incluso con interiores aislantes. El grafeno es un material 2-D ideal que ha atraído un gran interés desde su primera realización experimental. El grafeno terminado en zigzag puede soportar un estado de borde de banda plana en su límite que conduce a una variedad de fenómenos que incluyen magnetismo y superconductividad. Los estados de los bordes quirales en el grafeno se pueden observar experimentalmente debido al efecto Hall cuántico con un campo magnético externo, aunque también es posible aprovechar el efecto Hall de espín cuántico sin un campo magnético externo. Sin embargo, la débil interacción espín-órbita había hecho que la realización experimental de estados de borde quirales en grafeno fuera un desafío sobresaliente. Los investigadores habían propuesto previamente el efecto Hall del valle cuántico (QVH) como una estrategia alternativa para realizar estados de borde quirales en el grafeno. En este trabajo, Xi y col. se dieron cuenta experimentalmente de los estados de los bordes quirales del valle cuántico mediante la construcción de una red de panal de abeja bidimensional de grafeno nanomecánico con huecos de membranas nanomecánicas independientes de nitruro de silicio que funcionan en un régimen de frecuencia de banda muy alta. El equipo ajustó los estados de borde de grafeno de banda plana con espacios vacíos convencionales a estados quirales sin espacios para desarrollar un sistema nanomecánico que puede generar física relacionada con el grafeno con sintonía eléctrica y una fuerte no linealidad.

La celosía de grafeno genérica utilizada en este trabajo contenía un borde en zigzag y una arquitectura de celosía de nido de abeja nanomecánica. El equipo se dio cuenta experimentalmente del grafeno nanomecánico con huecos para observar estados de borde quirales con efectos Hall de valle cuántico (QVH). Para esto, construyeron una matriz bidimensional de membranas de nitruro de silicio en una red de panal. Primero fabricaron materiales en una oblea de nitruro de silicio sobre aislante grabando pequeños orificios en la capa de nitruro de silicio y finalmente encontraron que la región de volumen del grafeno nanomecánico exhibía los efectos QVH esperados con números de Chern de valle no triviales (los números de Chern pueden proporcionar información). sobre la función de onda). Ge et al. luego desarrolló extensos análisis teóricos para formar la base para realizar experimentalmente estados de borde quirales en grafeno nanomecánico. La respuesta energética de los estados de borde difería con el potencial de límite para proporcionar una explicación intuitiva para controlar la dispersión de los estados de energía dentro de la arquitectura.

El equipo demostró la capacidad de control experimental ajustando el potencial in situ en los bordes en zig-zag del grafeno nanomecánico con huecos. Durante el proceso, desencadenaron los movimientos de flexión de las membranas de forma electrocapacitante mediante el uso de una combinación de voltaje constante Vdc y voltaje alterno Vac, aplicado al electrodo de excitación y medido ópticamente con un interferómetro de Michelson construido en casa que funciona a una longitud de onda óptica de 1570 nm. Bloquearon en fase el haz de detección y el haz de referencia en el interferómetro mediante el uso de un controlador proporcional-integral-derivativo de kilohercios. Luego usaron un analizador de redes vectoriales para detectar la respuesta de frecuencia de los dispositivos y midieron las señales del fotodetector usando un osciloscopio sincronizado con el detector de señales. Durante los experimentos, se centraron en los estados de los bordes del grafeno y su transición a los estados de los bordes quirales y caracterizaron los estados de los bordes quirales a lo largo de un circuito cerrado, límite en forma de triángulo.

Xi y col. A continuación, se obtuvieron imágenes experimentales de los perfiles espacio-temporales de las ondas elásticas impulsadas por una señal Vac modulada por pulsos en la configuración con una frecuencia portadora de 64,65 MHz, un ancho de pulso de 1 µs y una tasa de repetición de pulso de 1 KHz y se encontró que los estados de borde sin espacios exhibían propagación quiral. Más importante, los estados de borde sin espacios se propagaron suavemente a través de curvas pronunciadas sin retrodispersión. También podrían existir modos quirales dependientes de valles sin huecos similares en las paredes del dominio topológico del dispositivo entre dos regiones de grafeno con números de Chern de valles opuestos, referidos como estados de torcedura de valle. Estos estados se demostraron previamente solo en sistemas mecánicos y acústicos a granel, y no en nanomecánica. Xi y col. luego mostró experimentalmente los estados de torsión de valle nanomecánicos y las transiciones suaves entre los estados de borde quirales y los estados de torsión de valle.

Exploraron los estados de torcedura del valle y su similitud con los estados de borde quirales diseñando y fabricando otro dispositivo con grafeno nanomecánico con huecos y obtuvieron imágenes experimentales de los perfiles de espacio-tiempo de las ondas elásticas en la configuración. La configuración contenía una señal Vac modulada por pulsos con una frecuencia portadora de 60,53 MHz, un ancho de pulso de 1,5 µs y una frecuencia de repetición de pulso de 1 KHz. Las ondas elásticas en los estados de borde quirales se transformaron entonces suavemente en los estados de torsión de valle y se propagaron a lo largo de las paredes de dominio del dispositivo y se transformaron de nuevo en los estados de borde quiral sin sufrir una retrodispersión no deseada.

De este modo, Xiang Xi y sus colegas introdujeron el concepto de grafeno y los estados de borde quiral de Hall del valle cuántico (QVH) controlando con precisión los potenciales de frontera de la red de grafeno. Los investigadores confirmaron que los estados son topológicamente inmunes a las curvas cerradas mientras exhiben bloqueo del impulso del valle, al igual que los sistemas Quantum Spin Hall (QSH). Xi y col. realizó una transición suave entre los estados de los bordes quirales y los estados de torsión de valle bien conocidos. Los estados de borde quirales también demostraron una huella más pequeña, demostrando la capacidad de habilitar circuitos topológicos más compactos en la práctica. Los resultados proporcionan una nueva estrategia para construir una variedad de circuitos nanomecánicos integrados que funcionan en regímenes de muy alta frecuencia, incluidas guías de ondas unidireccionales y cavidades de alta calidad protegidas topológicamente. El trabajo abrirá nuevas puertas para explorar la fonónica no lineal en sistemas similares al grafeno, incluidos los solitones de borde de grafeno, amplificadores y láseres.

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