Физики обнаружили топологические фононы в графене
Для этого они применили электронный микроскоп высокого разрешения
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 (Мz). 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.
И впервые сделали это в однородном твердом теле
Физики впервые пронаблюдали образование хопфионных колец вокруг скирмионных струн в тонкой пленке гелимагнетика FeGe и разработали протокол для их воспроизводимой генерации. Проведенная микромагнитная симуляция показала, что такие состояния являются устойчивыми, и могут применяться в спинтронике. Результаты опубликованы в журнале Nature. Хопфион — это трехмерный топологический солитон, представляющий локализованное возбуждение намагниченности, который может перемещаться и взаимодействовать как частица. Его можно представить как результат вращения вертикальной плоскости, в которой находится скирмион, который уже научились контролировать с помощью бомбардировки атомами аргона, использовать для записи информации и выполнять логические операции. В твердом теле скирмионы образуют струны, протянутые от одного края кристалла до другого. Однако их структура не является жесткой — их можно гнуть и закручивать, что, например, позволяет получать скирмионные сплетения. Их наблюдали в конденсате Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87, а также обнаружили в луче света с суперпозицией право- и левополяризованных фотонов. Фэншань Чжэн (Fengshan Zheng) с коллегами из Южно-китайского технологического университета получили хопфионные кольца из замкнутых закрученных скирмионных струн вокруг линейных скирмионных струн в тонкой пленке FeGe. Для наблюдения за их образованием они использовали просвечивающий электронный микроскоп, который позволяет получать микрофотографию образца, создавая при этом магнитное поле, не искажающее данные. Чтобы получить хопфионное кольцо вокруг скирмионной струны, авторы разработали специальный протокол. Для начала пластинка FeGe была помещена в положительное магнитное поле с напряженностью в 250 миллитесла. После этого магнитное поле направлялось в обратную сторону, но с напряженностью в 50 миллитесла, чтобы не разрушить скирмионные струны. При таком воздействии намагниченность меняет знак по периметру диска. После чего магнитное поле вновь возвращали в начальное положение, а на периметре диска возникали краевые модуляции, которые при увеличении магнитного поля сжимались и формировали хопфионное кольцо. Повторив такие манипуляции возможно сформировать и второе хопфионное кольцо, однако данный процесс нередко приводил и к исчезновению обоих колец. Авторы получили множество конфигураций скирмионных струн и хопфионных колец: например, получили хопфионное кольцо вокруг 12 скирмионных струн, а также изучили как их геометрия изменяется при увеличении магнитного поля. Все фигуры сжимаются, при этом ромб из четырех струн становится идеальным квадратом, а пяти и шести струнные массивы стремятся к идеальному пятиугольнику, только в последнем случае скирмионная струна оказывается в центре. Подобное поведение напрямую коррелирует со стремлением хопфионного кольца, которое в малых полях воспроизводит форму массива струн, стать окружностью. Микромагнитное моделирование также позволило получить похожие устойчивые решения солитонов. Для этого авторы минимизировали энергию гамильтониана, включавшего в себя обменное взаимодействие, взаимодействие Дзялошинского — Мория, зеемановское расщепление и размагничивающие поля. С помощью моделирования удалось также посчитать, каким образом хопфионное кольцо будет перемещаться вдоль скирмионной струны. По словам авторов, подобная генерация хопфионных колец и управлением ими найдет широкое применение в спинтронике и нейроморфных вычислениях. А два года назад физики уже научились управлять отдельными скирмионами.
