نسخه فوتونیکی از گرافن، میزبان حالت‌های لبه‌ای است که قبلاً هرگز دیده نشده بود – چیزی که می‌تواند راه‌های جدیدی برای تحقق فازهای توپولوژیکی در مواد گرافن-مانند فراهم کند.

گرافن و مواد شبه گرافن می‌توانند در لبه‌های خود میزبان حالت‌های موضعی ای باشند که خواصشان به‌ طرز چشمگیری با حالت‌های توده ای متفاوت است. بر اساس هندسه آنها سه نوع حالت لبه edge state)) در این مواد تشخیص داده شده است: زیگزاگی، ریشدار (bearded) و آرمچیر(armchair) . اکنون دائوهونگ سانگ Daohong Song از دانشگاه نانکای در چین و همکارانش از یک کریستال فوتونی گرافن-مانند برای نشان دادن امکان لبه چهارم به نام شاخه ای twig)) با ویژگیهای توپولوژیکی عجیب و غریب استفاده کرده اند. محققان پیشنهاد می‌کنند که حالت‌های لبه شاخه‌ای می‌توانند در ساختارهای شبکه‌ای لانه زنبوری دیگر نیز وجود داشته باشند، که گزینه‌ها را برای تحقق انتقال انرژیِ محافظت شده توپولوژیکی از طریق حالت‌های لبه در مواد گسترش می‌دهد [1].

این نتیجه بر مبنای نمایش قبلی تیم از یک تکنیک مبتنی بر لیزر برای «نوشتن» آرایه‌ای از موجبرهای موجی با شکل دلخواه در یک کریستال است [2]. با هدایت شبیه‌سازی‌ها، آنها یک ساختار لانه زنبوری با لبه‌های شاخه‌ای شکل طراحی کردند و پیش‌بینی کردند که چنین لبه‌هایی باید میزبان حالت‌های غیربدیهی (nontrivial) باشند. آنها سپس این ساختار را به صورت یک شبکه لانه زنبوری از موجبرها با فاصله شبکه 32 میکرومتر در آوردند. در نهایت، از یک لیزر برای جفت کردن نور به حالت های لبه شاخه استفاده شد و چگونگی انتشار نور از طریق موجبرها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که حالت‌های لبه ی شاخه، دارای هر دو ویژگی‌ توپولوژیکی و «باند تخت» هستند- دو عنصری که می‌توانند باعث ایجاد فازهای جذاب در ماده شوند.

سونگ می‌گوید که همراه با سه لبه‌ای که قبلاً شناسایی شده است، لبه‌ی شاخه‌ای پایه‌ای کامل برای توصیف همه انواع لبه‌های ممکن در شبکه‌های لانه زنبوری تشکیل می‌دهد - هر لبه دلخواه را می‌توان به عنوان ترکیبی از این چهار نوع توصیف کرد. به این ترتیب، تحقیق جدید می تواند به توسعه یک چارچوب کلی برای توصیف حالت های لبه در مواد گرافن-مانند کمک کند و برای ایجاد و مطالعه فازهای توپولوژیکی جدید استفاده شود.

1- S. Xia et al., “Photonic realization of a generic type of graphene edge states exhibiting topological flat band,” Phys. Rev. Lett. 131, 013804 (2023).

2- S. Xia et al., “Unconventional flatband line states in photonic Lieb lattices,” Phys. Rev. Lett. 121, 263902 (2018).

منبع:

Giving Graphene a New Edge