撰稿| 由课题组供稿
导读
二维材料的手性边缘态是一类对反射不敏感的边缘态。这类特殊的边缘态亦可用于集成纳米声学及光学系统。人们利用它们对背散射或背反射的免疫性，可设计出任意形状的声子或光子集成回路，从而提升声子或光子系统的集成度。近日，香港中文大学孙贤开课题组和中国科学技术大学董春华课题组合作，在甚高频集成纳米机械石墨烯中实现了基于量子谷霍尔效应的手性边缘态。此类器件能够抑制甚高频声波传输过程中的背反射。相关成果于1月6日在线发表于科学子刊《Science Advances》。
手性边缘态存在于二维材料的边界上，能够支持抗反射的电子输运现象。将手性边缘态用于声学及光学领域可以有效解决系统中的信号反射问题。手性边缘态通常需要利用外加磁场，因而难以在纳米声学系统中实现。近年来，有研究者提出通过利用量子谷霍尔效应并精确调节边界势能也能够实现手性边缘态。然而，由于精确控制二维材料的边界势能十分困难，该方案一直未获实验验证。
本工作将类似的概念引入到甚高频纳米声子系统中，通过精确调控纳米机械石墨烯的边界势能，首次在实验上观测到基于量子谷霍尔效应的手性边缘态。同时，通过实验证明了此类甚高频纳米声子手性边缘态具备谷-动量锁定的现象，即可以通过谷偏振来控制甚高频声子在手性边缘态中的传播方向。
图1A展示了纳米机械石墨烯的蜂窝状晶格。图1B–1D是制备的器件的光学显微照片。可以通过调节边界参数 
来实现手性边缘态。图1E和1F展示了边界模式中声子模场的实部及虚部，分别对应于图1I中的e和f点。图1G–1K展示了边界参数
= 0, 250 nm, 545 nm, 750 nm 和 1 μm时仿真及测量的能带图。图1I中的边缘态即是抗反射的手性边缘态。
图2A是制备的一个具有三角形闭环边界的器件的光学显微照片。该器件支持图1I中的抗反射的手性边缘态。图2B是在远离边缘（A点）和靠近边缘（B点）处测得的声子振动强度谱。图2C是实验测得的声子强度在动量空间中的分布。图2D是实验测得的不同谷偏振的声子在若干时间点的空间分布，证实具有相反谷偏振的声波沿着相反方向传播，并且即使经过大角度的弯折也不会发生背反射。
图1. 甚高频纳米机械石墨烯系统及其在不同边界势能下的边缘态能带图。
图2. 实验展示纳米机械石墨烯系统中的手性边缘态的抗反射特性。
该项工作得到香港研究资助局（14208717, 14206318, 14209519, N_CUHK415/15）及中国国家自然基金委（11722436, 11934012）的支持。
文章链接
Xiang Xi, Jingwen Ma, Shuai Wan, Chun-Hua Dong, and Xiankai Sun, “Observation of chiral edge states in gapped nanomechanical graphene,” Science Advances 7 (2): eabe1398, Jan. 2021.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abe1398
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