⽯墨烯中拓扑声⼦的直接观测

作者: 郭建东研究员、朱学涛研究员、李佳德博士等

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-09-17 17:41:59

本文报道了中国科学院物理研究所的研究团队在⽯墨烯中直接观测到拓扑声⼦的研究成果。通过使用高分辨电子能量损失谱仪(2D-HREELS),研究团队成功测量了⽯墨烯的三维全域声⼦谱,揭示了其中的节线环声⼦和狄拉克声⼦的拓扑结构。

近年来,拓扑的概念从电⼦系统被推⼴到了玻⾊⼦系统。其中声⼦(晶格集体振动的能量量⼦)作为⼀种准玻⾊⼦,对材料的电学、热学和光学等性质有重要的影响。拓扑理论在声⼦中的应⽤演⽣出了新奇的拓扑量⼦态,可能在声⼦⽆损传输中具有潜在的应⽤。虽然近⼏年拓扑声⼦的理论计算研究蓬勃发展,但实验测量却⾮常具有挑战性。

声⼦对外界电磁场不敏感,很难⽤宏观输运的⽅法进⾏表征,因此当前主要是通过测量声⼦⾊散来研究声⼦的拓扑性质;其次,测量拓扑声⼦的⾊散,要求分辨声⼦的能量尺度达到~ 1 meV,对探测技术的能量分辨率提出了很⾼的要求。

反射式⾼分辨⾮弹性电⼦散射技术对表⾯具有⾼度的敏感性,是测量⼆维材料声⼦的理想选择。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼表⾯物理国家重点实验室SF06组的郭建东研究员、朱学涛研究员和博⼠⽣曹彦伟(现为宁波材料所研究员)等⼈,在2015年成功研制了世界⾸台具有能量-动量⼆维成像解析能⼒的⾼分辨电⼦能量损失谱仪(2D-HREELS)。该系统将⼀个带有特殊设计电磁透镜组的电⼦束单⾊器与商业化的半球形分析器结合,可以同时探测到散射电⼦能量和动量的信息。

最近,该研究组的博⼠⽣李佳德在朱学涛研究员与郭建东研究员的指导下,由北京⼤学彭海琳教授和唐际琳博⼠提供⾼质量的单层⽯墨烯样品,由中国科学院⾦属研究所陈星秋研究员和李江旭博⼠提供⼆维拓扑声⼦理论计算⽀持,对⼆维材料的拓扑声⼦进⾏了系统地观测。

他们利⽤2D-HREELS在整个⼆维(qx, qy)布⾥渊区和整个能量尺度(?ω)测量了⽯墨烯的三维(qx, qy, ?ω)全域声⼦谱,系统观测并揭示了⽯墨烯中的节线环(Nodal-ring)声⼦和狄拉克(Dirac)声⼦的拓扑结构。

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