Direct Observation of Topological Phonons in Graphene

声子 布里渊区 石墨烯 拓扑(电路) 物理 凝聚态物理 位置和动量空间 量子力学 数学 组合数学
作者
Jiade Li,Jiangxu Li,Jilin Tang,Zhiyu Tao,Siwei Xue,Jiaxi Liu,Hailin Peng,Xing‐Qiu Chen,Jiandong Guo,Xuetao Zhu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (11) 被引量:13
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.116602
摘要

Phonons, as the most fundamental emergent bosons in condensed matter systems, play an essential role in the thermal, mechanical, and electronic properties of crystalline materials. Recently, the concept of topology has been introduced to phonon systems, and the nontrivial topological states also exist in phonons due to the constraint by the crystal symmetry of the space group. Although the classification of various topological phonons has been enriched theoretically, experimental studies were limited to several three-dimensional (3D) single crystals with inelastic x-ray or neutron scatterings. The experimental evidence of topological phonons in two-dimensional (2D) materials is absent. Here, using high-resolution electron energy loss spectroscopy following our theoretical predictions, we directly map out the phonon spectra of the atomically thin graphene in the entire 2D Brillouin zone, and observe two nodal-ring phonons and four Dirac phonons. The closed loops of nodal-ring phonons and the conical structure of Dirac phonons in 2D momentum space are clearly revealed by our measurements, in nice agreement with our theoretical calculations. The ability of 3D mapping (2D momentum space and energy space) of phonon spectra opens up a new avenue to the systematic identification of the topological phononic states. Our work lays a solid foundation for potential applications of topological phonons in superconductivity, dynamic instability, and phonon diode.
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