Science：基于环形石墨烯谐振器中的几何相位开关

【引言】

几何相位通常被描述为“没有局部变化的全局变化”的现象的结果。众所周知的经典例子是在曲面上矢量的平行传输，即经过曲面上一个封闭路径后，回到原点处的矢量指向不同方向，将这种古典现象扩展到量子领域，诞生了Berry phase。系统参数围绕封闭路径循环后，量子状态的相位不会回复到其原始值，然而波函数会获得一个可测量的相位差，该相位差被称为几何相位（Berry phase）。

【成果简介】

近日，美国国家标准与技术研究所Joseph A. Stroscio教授（通讯作者）团队研究发现，通过通过特殊的几何相位可以诱导出一些有趣的光谱特征：在相对较小的临界磁场情况下，环形石墨烯P-N结共振器的角动量的能量会突然大幅增加。这种现象源于π几何相位的变化，同时也和石墨烯中的狄拉克费米子的拓扑性质有关。几何相位可以在很小的磁场调控变化下控制和切换开关状态，这也为未来石墨烯光电器件的应用奠定了一定的基础。

【图文导读】。

图1回音壁模式下环形石墨烯谐振器的动力学

图（A）球面上封闭路径上向量的并行传输示意图

图（B）磁场动量空间轮廓示意图，相对应的向量如D图所示

图（C）由中心区域P型掺杂，背景区域N型掺杂的石墨烯的环形石墨烯谐振器的势能剖面示意图

图（D）C图中轨道的相位-空间环的示意图

图（E）π几何相位的动态变化和开关状态切换示意图

图2石墨烯环形谐振器的量子回音壁模式

图（A）B图中环形石墨烯谐振器的电势分布

图（B）中心区域P型掺杂，背景区域N型掺杂的石墨烯的环形石墨烯谐振器的结构示意图

图（C）计算在同一个抛物势下，不同标定的状态下环形石墨烯谐振器的参数计算仿真

图（D）石墨烯谐振器的差分电导图，径向空间位置是从光谱XY轴的角度平均值中获得

图3 环形石墨烯谐振器的几何相位开关状态切换

图（A）差分隧道电导图，横轴是在石墨烯谐振器的中心测量的磁场

图（B）仿真计算石墨烯谐振器的LDOS

图（C）n=4时的石墨烯谐振器的磁场分布

图（D）n=4时，磁场分布m=±1/2状态下的能量差别

图4 高角动量状态下几何相位的切换

图（A） 石墨烯谐振器的差分隧道电导图，横轴是磁场，测量位于距离中心70nm的区域

图（B，C，D）计算仿真石墨烯所有m状态（B），m=±1/2状态（C），m=+3/2状态下（D）的LDOS-磁场的关系图

【小结】

该实验成果可以应用在太赫兹频率下，高精度的螺旋敏感的光电测量，可以通过磁场的小范围变化来开关椭圆偏振光信号。通过将不同的P-N结的制造工艺和在石墨烯异质结构掺杂氮化硼形成静电边界技术相结合，这将会扩大基于石墨烯的光电器件的研究与应用。

文献链接：An on/off Berry phase switch in circular graphene resonators（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0212）

本文由材料人电子电工学术组hxxurui供稿，材料牛整理编辑。

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