观察有间隙的纳米机械石墨烯中的手性边缘状态

边缘状态是物理学中的一个新兴概念，并已被探索作为一种有效的策略来操纵下一代混合电光机械电路的电子、光子和声子。科学家们在石墨烯或类似石墨烯的材料中使用了无间隙手征边缘态来理解奇异的量子现象，例如量子自旋或谷霍尔效应。在现在发表在Science Advances上的一份新报告中，Xiang Xi 及其同事报告了间隙纳米机械石墨烯中的实验手征边缘状态;具有破坏空间反转对称性的独立式氮化硅纳米机械膜的蜂窝晶格(偶极子的存在)。该结构在急弯时不受反向散射的影响，并表现出谷动量锁定效应。该团队实现了手征边缘态和众所周知的谷扭结态之间的平滑过渡，为极高频集成纳米机械系统中软石墨烯相关物理的实验研究打开了大门。

开发纳米机械石墨烯

二维 (2-D) 材料边界处手征边缘态的存在是凝聚态物理学中的一个有趣现象。众所周知的例子包括量子霍尔效应(QH) 或量子自旋霍尔效应(QSH)，其中手性边缘态即使在内部绝缘的情况下也充当无间隙反向散射免疫传导通道。石墨烯是一种理想的二维材料，自首次实验实现以来就引起了广泛的兴趣。锯齿形终止石墨烯可以在其边界处支持平带边缘状态，从而导致各种现象，包括磁性和超导性. 由于具有外部磁场的量子霍尔效应，石墨烯中的手性边缘态可以通过实验观察到，尽管也可以在没有外部磁场的情况下利用量子自旋霍尔效应。然而，弱自旋轨道相互作用使得石墨烯手性边缘态的实验实现成为一个突出的挑战。研究人员此前曾提出量子谷霍尔效应(QVH)作为在石墨烯中实现手性边缘状态的替代策略。在这项工作中，Xi 等人。通过构建独立的氮化硅纳米机械膜的间隙纳米机械石墨烯二维蜂窝晶格，在非常高的频带频率范围内发挥作用，实验性地实现了量子谷手征边缘态。该团队将传统的有隙平带石墨烯边缘态调整为无隙手性态，以开发一种纳米机械系统，该系统可以产生具有电可调性和强非线性的石墨烯相关物理。

通过边界电位控制纳米机械石墨烯边缘状态

这项工作中使用的通用石墨烯晶格包含锯齿形边缘和纳米机械蜂窝晶格结构。该团队通过实验实现了有间隙的纳米机械石墨烯，以观察具有量子谷霍尔效应 (QVH) 的手性边缘状态。为此，他们在蜂窝晶格中构建了二维氮化硅膜阵列。他们首先通过蚀刻氮化硅层中的小孔在绝缘体上的氮化硅晶片上制造材料，并最终发现纳米机械石墨烯的体区表现出预期的 QVH 效应和非平凡的陈数谷(陈数可以提供有关波函数的信息)。葛等人。然后开发了广泛的理论分析，为在纳米机械石墨烯中通过实验实现手性边缘状态奠定了基础。边缘态的能量响应与边界势不同，为控制结构内能量态的分散提供了直观的解释。

该团队通过调整有间隙的纳米机械石墨烯的锯齿形边缘的现场电位，展示了实验的可控性。在此过程中，他们通过使用恒压 Vdc 和交流电压 Vac 的组合以电容方式触发膜的弯曲运动，施加到激发电极并使用在 1570 nm 光学波长下工作的自制迈克尔逊干涉仪进行光学测量。他们使用千赫比例积分微分控制器对干涉仪中的探测光束和参考光束进行相位锁定。然后他们使用了矢量网络分析仪检测设备的频率响应，并使用与信号检测器同步的示波器测量来自光电检测器的信号。在实验过程中，他们专注于石墨烯边缘状态及其向手性边缘状态的转变，并沿着闭环三角形边界表征手性边缘状态。

席等人。接下来通过实验对设置中由脉冲调制 Vac 信号驱动的弹性波的时空分布进行成像，载波频率为 64.65 MHz，脉冲宽度为 1 µs，脉冲重复率为 1 KHz，并发现了无间隙边缘状态表现出手性传播。最重要的是，无间隙边缘状态在没有反向散射的情况下通过急弯平滑传播。在具有相反谷陈数的两个石墨烯区域之间的器件拓扑畴壁上也可能存在类似的无间隙谷依赖手征模式，称为谷扭结状态。这种状态以前仅在体声学和机械系统中被证明，而不是在纳米力学中。席等人。

纳米机械手征边缘态通过锐弯传播而没有反向散射的实验证明。图片来源：科学进展，doi:10.1126/sciadv.abe1398

他们通过设计和制造另一种具有间隙纳米机械石墨烯的装置来探索谷扭结状态及其与手性边缘状态的相似性，并通过实验对装置中弹性波的时空分布进行成像。该装置包含一个脉冲调制的 Vac 信号，其载波频率为 60.53 MHz，脉冲宽度为 1.5 µs，脉冲重复率为 1 KHz。处于手征边缘状态的弹性波然后平滑地转变为谷扭结状态并沿着器件的畴壁传播并转变回手征边缘状态而没有经历不希望的反向散射。

纳米力学展望

以这种方式，Xiang Xi 及其同事通过准确控制石墨烯晶格的边界电位，引入了石墨烯的概念和量子谷霍尔 (QVH) 手征边缘态。研究人员证实，这些状态在拓扑上不受急剧弯曲的影响，同时表现出谷动量锁定，很像量子自旋霍尔 (QSH) 系统。席等人。实现了手征边缘状态和众所周知的谷扭结状态之间的平滑过渡。手性边缘状态也表现出更小的占地面积，证明了在实践中实现更紧凑拓扑电路的能力。结果提供了一种新的策略来构建各种在极高频下运行的集成纳米机械电路包括单向波导和拓扑保护的高质量腔。这项工作将为探索石墨烯类系统中的非线性声子打开新的大门，包括石墨烯边缘孤子、放大器和激光器。

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