Физики обнаружили топологические фононы в графене

Китайские ученые экспериментально обнаружили топологические фононы в графене. Чтобы исследовать фононные спектры во всей двумерной зоне Бриллюэна, они использовали метод электронной микроскопии с высоким разрешением характеристических потерь энергии электронов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Фононы играют важную роль в тепловых, механических и электронных свойствах кристаллических материалов. При этом особый интерес представляют топологические фононные состояния, возникающие на пересечении фононных ветвей с различными параметрами. Эксперименты по изучению таких состояний начали проводить достаточно недавно.

В двумерных материалах топологические фононные состояния ранее не наблюдались из-за высокого необходимого разрешения по энергии от 0,1 до 10 миллиэлектронвольт. Такого разрешения по энергии практически невозможно достичь при изучении фононных состояний традиционными методами — при помощи неупругого рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов. Это существенно усложняет экспериментальное изучение топологических фононных состояний по сравнению, например, с аналогичными состояниями для электронов. При этом топологические состояния электронов в двумерных материалах приводят к неожиданным свойствам, о которых мы рассказывали в нашем материале «Тонко закручено».

Ли Цзяде (Jiade Li) с коллегами из Национальной лаборатории физики конденсированных сред в Пекине и ряда других китайских институтов использовали для исследования фононных структур в графене метод электронной микроскопии высокого разрешения по характеристическим потерям энергии электронов. Это позволило ученым получить спектры фононов высокого разрешения во всей двумерной зоне Бриллюэна и обнаружить несколько топологических фононов.

Ученые отмечают, что в периодических кристаллах топологические характеристики по большому счету определяются симметриями кристаллической решетки. В общем случае гексагональная плоская решетка — подобная кристаллической решетке графена — обладает симметриями инверсии (Р), обращения времени (Т) и зеркальной (М_z). Эти симметрии определяют возможные топологические структуры фононов, возникающие при пересечении фононных ветвей. Обычно их разделяют на фононы Дирака (DP) и кольцевые узловые (nodal-ring) фононы (NP). Ли с коллегами провел компьютерное моделирование и определили, что в графене должны возникать два вида NP фононов и четыре вида DP фононов.

Физики провели двумерное сканирование однослойного образца графена при помощи системы линз в сочетании с электронным монохроматором и полусферическим анализатором энергии электронов. Экспериментальный спектр в точности совпал с предсказанным при помощи компьютерного моделирования. Более того, ученым удалось определить трехмерную структуру топологических фононов в пространстве импульсов и энергии, вращая образец относительно пучка электронов.

Топологические свойства кристаллов и фононов можно использовать для исследования необычных свойств различных материалов. Например, ранее ученым удалось изготовить фононный квадрупольный топологический изолятор.