首次发现！南开团队探出“新材料之王”石墨烯的新边界

来源：南开大学 2023-08-17

导读：近日，南开大学陈志刚教授、许京军教授领导的课题组，在光子石墨烯中的研究又取得了重要进展：他们发现了石墨烯中从未见过的新型边界——枝桠型（twig）边界，并首次在光子晶格平台成功观测到了这种全新的边界态以及由拓扑平带导致的紧凑边界态，揭示该边界态的拓扑保护性以及与众所周知的石墨烯其他三种边界的互补性。

这一研究加深了人们对石墨烯边界态和拓扑物理学的认识，为拓扑结构在纳米电子器件和光信息传输等领域的应用奠定了理论基础。介绍该成果的论文“Photonic realization of a generic type of graphene edge states exhibiting topological flat band”在线发表于国际知名学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

石墨烯作为一种由单层碳原子构成的二维材料，凭借其卓越的电子性质引起了广泛关注。科学家一直在积极研究石墨烯的边界态，这些边界态展现了独特的能带结构、拓扑性质和导电性能，为开发新型电子学器件和应用提供了潜在的可能性。此外，石墨烯边界态的研究也有望推动纳米电子学、能源以及量子信息等领域的进一步发展。在过去的研究中，科学家们已经对石墨烯的三种常见边界类型进行了深入探索，包括锯齿（zigzag）型、胡须（bearded）型和扶手椅（armchair）型边界。

图：具有四种不同边界类型的三维波导阵列和二维光子石墨烯晶格示意图

在本工作中，研究人员提出了一种全新的边界类型，称之为“枝桠”型边界。枝桠型边界与其他三种边界组成了石墨烯结构中的四种基本边界类型。其独特的拓扑平带结构能够支持紧凑拓扑边界态。这种类似于孤子的紧凑边界态，既具有平带特征又具有拓扑特征，可以在没有任何缺陷或非线性的情况下实现光束的局域鲁棒传输。为了克服真实材料的限制，研究人员利用激光直写技术制备的光子石墨烯晶格为平台，在实验上观测到了这种边界模式以及紧凑拓扑边界态。该工作加深了人们对石墨烯边界态的理解，为谷霍尔效应、能量局域、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等领域相关研究提供了新的思路。

本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士后夏士齐和博士生梁永胜为共同第一作者。南开大学陈志刚教授、宋道红教授为共同通讯作者。合作者还包括唐莉勤副教授。此项工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金会等项目资助。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.013804

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来源：南开大学 2023-08-17