Фізики виявили топологічні фонони у графені
Китайські вчені експериментально виявили топологічні фонони у графені. Щоб дослідити фононні спектри у всій двовимірній зоні Бріллюена, вони використовували метод електронної мікроскопії з високою роздільною здатністю характеристичних втрат енергії електронів. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Фонони відіграють важливу роль у теплових, механічних та електронних властивостях кристалічних матеріалів. При цьому особливий інтерес становлять топологічні фононні стани, що виникають на перетині гілок фононних з різними параметрами. Експерименти вивчення таких станів почали проводити досить недавно.
У двовимірних матеріалах топологічні фононні стани раніше не спостерігалися через високий необхідний дозвіл енергії від 0,1 до 10 міліелектронвольт. Такого дозволу на енергію практично неможливо досягти щодо фононних станів традиційними методами — з допомогою пружного розсіяння рентгенівських променів чи нейтронів. Це значно ускладнює експериментальне вивчення топологічних фононних станів проти, наприклад, з аналогічними станами для електронів. При цьому топологічні стани електронів у двовимірних матеріалах призводять до несподіваних властивостей, про які ми розповідали у нашому матеріалі «Тонко закручено».
Лі Цзяде (Jiade Li) з колегами з Національної лабораторії фізики конденсованих середовищ у Пекіні та низки інших китайських інститутів використовували для дослідження фононних структур у графені метод електронної мікроскопії високого дозволу з характерних втрат енергії електронів. Це дозволило вченим отримати спектри фононів високої роздільної здатності у всій двовимірній зоні Бріллюена і виявити кілька топологічних фононів.
Вчені відзначають, що в періодичних кристалах топологічні характеристики за великим рахунком визначаються симетріями кристалічних ґрат. У загальному випадку гексагональні плоскі грати — подібні до кристалічних ґрат графена — мають симетрії інверсії (Р), обертання часу (Т) і дзеркальної (М z ). Ці симетрії визначають можливі топологічні структури фононів, що виникають під час перетину фононних гілок. Зазвичай їх поділяють на фонони Дірака (DP) та кільцеві вузлові (nodal-ring) фонони (NP). Чи з колегами провів комп'ютерне моделювання та визначили, що у графені мають виникати два види NP фононів та чотири види DP фононів.
Фізики провели двовимірне сканування одношарового зразка графена за допомогою системи лінз у поєднанні з електронним монохроматором та напівсферичним аналізатором енергії електронів. Експериментальний спектр точно збігся з передбаченим за допомогою комп'ютерного моделювання. Більше того, вченим вдалося визначити тривимірну структуру топологічних фононів у просторі імпульсів та енергії, обертаючи зразок щодо пучка електронів.
Топологічні властивості кристалів та фононів можна використовувати для дослідження незвичайних властивостей різних матеріалів. Наприклад, раніше вченим удалося виготовити фононний квадрупольний топологічний ізолятор.