Les états de bord sont un concept émergent en physique et ont été explorés comme une stratégie efficace pour manipuler les électrons, photons et phonons pour les circuits électro-optomécaniques hybrides de nouvelle génération. Les scientifiques ont utilisé des états de bord chiraux sans faille dans du graphène ou des matériaux de type graphène pour comprendre des phénomènes quantiques exotiques tels que le spin quantique ou les effets Hall de vallée. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Xiang Xi et ses collègues ont rapporté des états de bord chiraux expérimentaux dans le graphène nanomécanique à brèche; un réseau en nid d'abeille de membranes nanomécaniques autonomes en nitrure de silicium avec une symétrie d'inversion spatiale brisée (présence d'un dipôle). Les constructions étaient immunisées contre la rétrodiffusion dans les virages serrés et présentaient l'effet de verrouillage vallée-impulsion. L'équipe a réalisé une transition en douceur entre les états de bord chiraux et les états de nœud de vallée bien connus pour ouvrir la porte à des études expérimentales de la physique liée au graphène doux à très haute fréquence, systèmes nanomécaniques intégrés.

Développement de graphène nanomécanique

La présence d'états de bord chiraux à la frontière de matériaux bidimensionnels (2-D) est un phénomène intrigant en physique de la matière condensée. Des exemples bien connus incluent le Hall quantique (QH) ou les effets Hall de spin quantique (QSH), où les états de bord chiraux agissent comme des canaux immuno-conducteurs à rétrodiffusion sans espace, même avec des intérieurs isolants. Le graphène est un matériau 2D idéal qui a suscité un vif intérêt depuis sa première réalisation expérimentale. Le graphène à terminaisons en zigzag peut supporter un état de bord de bande plate à sa frontière conduisant à une variété de phénomènes, notamment le magnétisme et la supraconductivité. Les états de bord chiraux dans le graphène peuvent être observés expérimentalement en raison de l'effet Hall quantique avec un champ magnétique externe, bien qu'il soit également possible d'exploiter l'effet Hall de spin quantique sans champ magnétique externe. Cependant, la faible interaction spin-orbite avait fait de la réalisation expérimentale des états de bord chiraux du graphène un défi exceptionnel. Les chercheurs avaient précédemment proposé l'effet Hall de la vallée quantique (QVH) comme stratégie alternative pour réaliser des états de bord chiraux dans le graphène. Dans ce travail, Xi et al. ont réalisé expérimentalement les états de bord chiraux de la vallée quantique en construisant un réseau en nid d'abeilles 2-D de graphène nanomécanique avec des membranes nanomécaniques autonomes en nitrure de silicium fonctionnant à un régime de fréquence de bande très élevée. L'équipe a ajusté les états de bord conventionnels du graphène à bande plate à écartement sur des états chiraux sans écart pour développer un système nanomécanique capable de générer une physique liée au graphène avec une accordabilité électrique et une forte non-linéarité.

Le réseau de graphène générique utilisé dans ce travail contenait un bord en zigzag et une architecture de réseau en nid d'abeille nanomécanique. L'équipe a réalisé expérimentalement le graphène nanomécanique écartelé pour observer les états de bord chiraux avec des effets Hall de vallée quantique (QVH). Pour ça, ils ont construit un réseau 2-D de membranes en nitrure de silicium dans un réseau en nid d'abeille. Ils ont d'abord fabriqué des matériaux sur une plaquette de silicium-nitrure sur isolant en gravant de petits trous dans la couche de nitrure de silicium et ont finalement trouvé que la région en vrac du graphène nanomécanique présentait les effets QVH attendus avec des nombres de Chern de vallée non triviaux (les nombres de Chern peuvent fournir des informations sur la fonction d'onde). Ge et al. puis développé des analyses théoriques approfondies pour former la base pour réaliser expérimentalement des états de bord chiraux dans le graphène nanomécanique. La réponse énergétique des états de bord différait avec le potentiel de frontière pour fournir une explication intuitive pour contrôler la dispersion des états d'énergie au sein de l'architecture.

L'équipe a montré la contrôlabilité expérimentale en ajustant le potentiel sur site aux bords en zigzag du graphène nanomécanique à brèche. Pendant le processus, ils ont déclenché les mouvements de flexion des membranes de manière électrocapacitive en utilisant une combinaison de tension constante Vdc et de tension alternative Vac, appliqué à l'électrode d'excitation et mesuré optiquement avec un interféromètre de Michelson de fabrication artisanale fonctionnant à une longueur d'onde optique de 1570 nm. Ils ont verrouillé en phase le faisceau de détection et le faisceau de référence dans l'interféromètre à l'aide d'un contrôleur proportionnel-intégral-dérivé kilohertz. Ils ont ensuite utilisé un analyseur de réseau vectoriel pour détecter la réponse en fréquence des appareils et mesuré les signaux du photodétecteur à l'aide d'un oscilloscope synchronisé avec le détecteur de signal. Lors des expérimentations, ils se sont concentrés sur les états de bord du graphène et leur transition vers des états de bord chiraux et ont caractérisé les états de bord chiraux le long d'une boucle fermée, limite en forme de triangle.

Xi et al. a ensuite imagé expérimentalement les profils spatio-temporels des ondes élastiques entraînées par un signal Vac modulé par impulsions dans l'installation avec une fréquence porteuse de 64,65 MHz, une largeur d'impulsion de 1 µs et un taux de répétition des impulsions de 1 KHz et ont trouvé que les états de bord sans espace présentaient une propagation chirale. Plus important encore, les états de bord sans espace se sont propagés en douceur à travers des virages serrés sans rétrodiffusion. Des modes chiraux dépendants de la vallée sans lacunes similaires pourraient également exister au niveau des parois du domaine topologique du dispositif entre deux régions de graphène avec des nombres de Chern de vallée opposés, appelés états de nœud de vallée. De tels états ont été précédemment démontrés dans des systèmes acoustiques et mécaniques en vrac seuls, et non en nanomécanique. Xi et al. puis a montré expérimentalement les états de nœud de vallée nanomécaniques et les transitions douces entre les états de bord chiraux et les états de nœud de vallée.

Ils ont exploré les états de repli de la vallée et leur similitude avec les états de bord chiraux en concevant et en fabriquant un autre dispositif avec du graphène nanomécanique à brèche et ont imagé expérimentalement les profils spatio-temporels des ondes élastiques dans la configuration. L'installation contenait un signal Vac modulé par impulsion avec une fréquence porteuse de 60,53 MHz, une largeur d'impulsion de 1,5 µs et un taux de répétition des impulsions de 1 KHz. Les ondes élastiques dans les états de bord chiraux se sont ensuite transformées en douceur en états de creux de vallée et se sont propagées le long des parois de domaine du dispositif et se sont retransformées dans les états de bord chiraux sans subir de rétrodiffusion indésirable.

De cette façon, Xiang Xi et ses collègues ont introduit le concept de graphène et les états chiraux de bord de la vallée quantique (QVH) en contrôlant avec précision les potentiels de frontière du réseau de graphène. Les chercheurs ont confirmé que les états étaient topologiquement immunisés contre les virages serrés tout en présentant un verrouillage de l'impulsion de la vallée, un peu comme les systèmes quantiques à effet Hall (QSH). Xi et al. réalisé une transition en douceur entre les états de bords chiraux et les états de nœud de vallée bien connus. Les états de bord chiraux ont également démontré une empreinte plus petite, démontrant la capacité de permettre des circuits topologiques plus compacts dans la pratique. Les résultats fournissent une nouvelle stratégie pour construire une variété de circuits nanomécaniques intégrés fonctionnant à des régimes à très haute fréquence, y compris des guides d'ondes unidirectionnels et des cavités de haute qualité protégées topologiquement. Le travail ouvrira de nouvelles portes pour explorer la phononique non linéaire dans les systèmes de type graphène, y compris les solitons à bord de graphène, amplificateurs et lasers.

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