Science：基于環形石墨烯諧振器中的幾何相位開關

【引言】

幾何相位通常被描述為“沒有局部變化的全局變化”的現象的結果。眾所周知的經典例子是在曲面上矢量的平行傳輸，即經過曲面上一個封閉路徑后，回到原點處的矢量指向不同方向，將這種古典現象擴展到量子領域，誕生了Berry phase。系統參數圍繞封閉路徑循環后，量子狀態的相位不會回復到其原始值，然而波函數會獲得一個可測量的相位差，該相位差被稱為幾何相位（Berry phase）。

【成果簡介】

近日，美國國家標準與技術研究所Joseph A. Stroscio教授（通訊作者）團隊研究發現，通過通過特殊的幾何相位可以誘導出一些有趣的光譜特征：在相對較小的臨界磁場情況下，環形石墨烯P-N結共振器的角動量的能量會突然大幅增加。這種現象源于π幾何相位的變化，同時也和石墨烯中的狄拉克費米子的拓撲性質有關。幾何相位可以在很小的磁場調控變化下控制和切換開關狀態，這也為未來石墨烯光電器件的應用奠定了一定的基礎。

【圖文導讀】。

圖1回音壁模式下環形石墨烯諧振器的動力學

圖（A）球面上封閉路徑上向量的并行傳輸示意圖

圖（B）磁場動量空間輪廓示意圖，相對應的向量如D圖所示

圖（C）由中心區域P型摻雜，背景區域N型摻雜的石墨烯的環形石墨烯諧振器的勢能剖面示意圖

圖（D）C圖中軌道的相位-空間環的示意圖

圖（E）π幾何相位的動態變化和開關狀態切換示意圖

圖2石墨烯環形諧振器的量子回音壁模式

圖（A）B圖中環形石墨烯諧振器的電勢分布

圖（B）中心區域P型摻雜，背景區域N型摻雜的石墨烯的環形石墨烯諧振器的結構示意圖

圖（C）計算在同一個拋物勢下，不同標定的狀態下環形石墨烯諧振器的參數計算仿真

圖（D）石墨烯諧振器的差分電導圖，徑向空間位置是從光譜XY軸的角度平均值中獲得

圖3 環形石墨烯諧振器的幾何相位開關狀態切換

圖（A）差分隧道電導圖，橫軸是在石墨烯諧振器的中心測量的磁場

圖（B）仿真計算石墨烯諧振器的LDOS

圖（C）n=4時的石墨烯諧振器的磁場分布

圖（D）n=4時，磁場分布m=±1/2狀態下的能量差別

圖4 高角動量狀態下幾何相位的切換

圖（A） 石墨烯諧振器的差分隧道電導圖，橫軸是磁場，測量位于距離中心70nm的區域

圖（B，C，D）計算仿真石墨烯所有m狀態（B），m=±1/2狀態（C），m=+3/2狀態下（D）的LDOS-磁場的關系圖

【小結】

該實驗成果可以應用在太赫茲頻率下，高精度的螺旋敏感的光電測量，可以通過磁場的小范圍變化來開關橢圓偏振光信號。通過將不同的P-N結的制造工藝和在石墨烯異質結構摻雜氮化硼形成靜電邊界技術相結合，這將會擴大基于石墨烯的光電器件的研究與應用。

文獻鏈接：An on/off Berry phase switch in circular graphene resonators（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0212）

本文由材料人電子電工學術組hxxurui供稿，材料牛整理編輯。

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