Os estados de borda são um conceito emergente na física e têm sido explorados como uma estratégia eficiente para manipular elétrons, fótons e fônons para circuitos eletrooptomecânicos híbridos de próxima geração. Os cientistas usaram estados de borda quirais sem intervalos no grafeno ou em materiais semelhantes ao grafeno para entender fenômenos quânticos exóticos, como spin quântico ou efeitos Hall do vale. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Xiang Xi e colegas relataram sobre estados de borda quirais experimentais em grafeno nanomecânico com intervalo; uma rede em favo de mel de membranas nanomecânicas de nitreto de silício autônomas com simetria de inversão espacial quebrada (presença de um dipolo). Os construtos eram imunes a retrodifusão em curvas acentuadas e exibiam o efeito de bloqueio de momentum de vale. A equipe percebeu uma transição suave entre os estados de borda quirais e os bem conhecidos estados de torção de vale para abrir a porta para investigações experimentais de física relacionada ao grafeno suave em frequência muito alta, sistemas nanomecânicos integrados.

Desenvolvendo grafeno nanomecânico

A presença de estados de aresta quirais na fronteira de materiais bidimensionais (2-D) é um fenômeno intrigante na física da matéria condensada. Exemplos bem conhecidos incluem Hall quântico (QH) ou efeitos Hall de spin quântico (QSH), onde os estados de borda quirais atuam como canais imuno-condutores de retroespalhamento sem intervalos, mesmo com interiores isolantes. O grafeno é um material 2-D ideal que atraiu amplos interesses desde sua primeira realização experimental. O grafeno terminado em zigue-zague pode suportar um estado de borda de banda plana em seu limite, levando a uma variedade de fenômenos, incluindo magnetismo e supercondutividade. Os estados de borda quirais no grafeno podem ser observados experimentalmente devido ao efeito Hall quântico com um campo magnético externo, embora também seja possível aproveitar o efeito Hall do spin quântico sem um campo magnético externo. Contudo, a fraca interação spin-órbita tornou a realização experimental de estados de aresta quirais em grafeno um desafio notável. Os pesquisadores já haviam proposto o efeito Hall do vale quântico (QVH) como uma estratégia alternativa para realizar estados de borda quirais no grafeno. Nesse trabalho, Xi et al. realizou experimentalmente os estados de borda quiral do vale quântico através da construção de uma rede em favo de mel 2-D de grafeno nanomecânico com membranas nanomecânicas de nitreto de silício autônomas funcionando em um regime de frequência de banda muito alta. A equipe ajustou os estados de borda de grafeno de banda plana convencional para estados quirais sem intervalos para desenvolver um sistema nanomecânico que pode gerar física relacionada ao grafeno com sintonia elétrica e forte não linearidade.

A rede de grafeno genérica usada neste trabalho continha uma borda em zigue-zague e uma arquitetura de rede em favo de mel nanomecânica. A equipe realizou experimentalmente o grafeno nanomecânico com lacunas para observar estados de borda quirais com efeitos Hall de vale quântico (QVH). Por esta, eles construíram uma matriz 2-D de membranas de nitreto de silício em uma estrutura em favo de mel. Eles primeiro fabricaram materiais em um wafer de nitreto de silício sobre isolador gravando pequenos orifícios na camada de nitreto de silício e, finalmente, descobriram que a região em massa do grafeno nanomecânico exibia os efeitos QVH esperados com números de Chern de vale não trivial (os números de Chern podem fornecer informações sobre a função de onda). Ge et al. em seguida, desenvolveu extensas análises teóricas para formar a base para realizar experimentalmente os estados de borda quirais no grafeno nanomecânico. A resposta de energia dos estados de borda diferiu com o potencial de limite para fornecer uma explicação intuitiva para controlar a dispersão dos estados de energia dentro da arquitetura.

A equipe mostrou a controlabilidade experimental ajustando o potencial no local nas bordas em zigue-zague do grafeno nanomecânico com lacuna. Durante o processo, eles desencadearam os movimentos de flexão das membranas eletrocapacitivamente usando uma combinação de tensão constante Vdc e tensão alternada Vca, aplicado ao eletrodo de excitação e medido opticamente com um interferômetro de Michelson feito em casa funcionando em um comprimento de onda óptico de 1570 nm. Eles travaram a fase do feixe de detecção e do feixe de referência no interferômetro usando um controlador derivativo integral proporcional quilohertz. Eles então usaram um analisador de rede vetorial para detectar a resposta de frequência dos dispositivos e mediram os sinais do fotodetector usando um osciloscópio sincronizado com o detector de sinal. Durante os experimentos, eles se concentraram nos estados de borda de grafeno e sua transição para estados de borda quirais e caracterizaram os estados de borda quirais ao longo de um circuito fechado, limite em forma de triângulo.

Xi et al. em seguida, fotografou experimentalmente os perfis espaço-temporais das ondas elásticas conduzidas por um sinal Vac modulado por pulso na configuração com uma frequência portadora de 64,65 MHz, uma largura de pulso de 1 µs e uma taxa de repetição de pulso de 1 KHz e descobriu que os estados de borda sem intervalos exibem propagação quiral. Mais importante, os estados de borda sem intervalos propagaram-se suavemente por meio de curvas acentuadas, sem retroespalhamento. Modos quirais dependentes de vale sem intervalos semelhantes também podem existir nas paredes do domínio topológico do dispositivo entre duas regiões de grafeno com números de Chern de vale opostos, referidos como estados de torção de vale. Tais estados foram demonstrados anteriormente apenas em sistemas acústicos e mecânicos em massa, e não em nanomecânica. Xi et al. em seguida, mostrou experimentalmente os estados nanomecânicos de torção de vale e as transições suaves entre os estados de borda quiral e os estados de torção de vale.

Eles exploraram os estados de torção de vale e sua semelhança com os estados de borda quirais ao projetar e fabricar outro dispositivo com grafeno nanomecânico com espaçamento e obter imagens experimentais dos perfis espaço-temporais das ondas elásticas na configuração. A configuração continha um sinal Vac modulado por pulso com uma frequência portadora de 60,53 MHz, uma largura de pulso de 1,5 µs e uma taxa de repetição de pulso de 1 KHz. As ondas elásticas nos estados de borda quiral então suavemente transformam-se nos estados de torção de vale e propagam-se ao longo das paredes de domínio do dispositivo e transformadas de volta para os estados de borda quiral sem sofrer retroespalhamento indesejado.

Desta maneira, Xiang Xi e seus colegas introduziram o conceito de grafeno e os estados de borda quiral do vale quântico (QVH) controlando com precisão os potenciais de contorno da rede de grafeno. Os pesquisadores confirmaram que os estados são topologicamente imunes a curvas acentuadas, enquanto exibem bloqueio de momentum de vale, muito parecido com sistemas Hall de spin quântico (QSH). Xi et al. realizou uma transição suave entre os estados de bordas quirais e os bem conhecidos estados de torção de vale. Os estados de borda quiral também demonstraram uma pegada menor, demonstrando a capacidade de habilitar circuitos topológicos mais compactos na prática. Os resultados fornecem uma nova estratégia para construir uma variedade de circuitos nanomecânicos integrados funcionando em regimes de frequência muito alta, incluindo guias de ondas unidirecionais e cavidades de alta qualidade protegidas topologicamente. O trabalho abrirá novas portas para explorar a fonônica não linear em sistemas semelhantes ao grafeno, incluindo solitons de borda de grafeno, amplificadores e lasers.

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