【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系陳延峰院士團(tuán)隊(duì)在片上聲子學(xué)與拓?fù)渎晫W(xué)器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在懸浮鈮酸鋰單晶薄膜聲子晶體中，實(shí)現(xiàn)邊界誘導(dǎo)的螺旋體態(tài)聲傳輸。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)寬孔徑叉指換能器實(shí)現(xiàn)了螺旋體態(tài)的高效激發(fā)與讀出，為發(fā)展高通量、抗背散射、低色散的射頻聲學(xué)芯片提供了新的原理。
 

　　1. 研究背景
 

　　在芯片上實(shí)現(xiàn)聲波的傳輸、延遲、濾波與調(diào)控的片上聲子學(xué)，是射頻信號(hào)處理、傳感、聲光耦合以及聲量子混合系統(tǒng)等應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。與光波相比，聲波具有傳播速度低、波長(zhǎng)短等特點(diǎn)，因而能夠在更小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的信號(hào)延遲和更強(qiáng)的能量局域。薄膜鈮酸鋰兼具強(qiáng)壓電效應(yīng)、低損耗聲波傳播特性和良好的微納加工兼容性，同時(shí)可通過(guò)叉指換能器實(shí)現(xiàn)射頻電信號(hào)與聲波信號(hào)之間的高效轉(zhuǎn)換，是發(fā)展片上聲學(xué)器件的重要材料平臺(tái)。然而，在工程中，聲波傳輸往往會(huì)受到晶體結(jié)構(gòu)缺陷、邊界粗糙、阻抗不連續(xù)和模式轉(zhuǎn)換失配等不利因素，導(dǎo)致背散射和多次反射，降低和惡化了片上器件的性能。
 

　　拓?fù)渎晫W(xué)為抑制聲波背散射提供了新的思路。通常拓?fù)渎晫W(xué)器件利用界面態(tài)實(shí)現(xiàn)聲波傳輸，使聲波在一定程度上能夠抵抗缺陷和彎折引起的散射。然而，對(duì)于片上射頻聲學(xué)器件，完全依靠拓?fù)溥吘墤B(tài)存在明顯局限：因?yàn)槁晥?chǎng)局域于狹窄的界面，不能夠充分利用體傳播態(tài)，而實(shí)際器件中常用的叉指換能器具有一定的孔徑，使得孔徑尺度和模式分布上的不匹配，會(huì)導(dǎo)致只有部分聲能夠有效耦合進(jìn)入拓?fù)渫ǖ?，進(jìn)而造成插入損耗升高、信號(hào)保真度下降以及芯片材料利用率不足等問(wèn)題。因此，片上拓?fù)渎晫W(xué)器件亟需一種新的聲波傳輸機(jī)制：既保留拓?fù)潴w系抗背散射的優(yōu)勢(shì)，又不局限于狹窄邊界或界面，而是在聲子晶體內(nèi)部形成可充分利用器件孔徑的體態(tài)傳輸通道，從而實(shí)現(xiàn)高通量、低損耗和高保真的片上聲波傳輸。
 

　　2. 創(chuàng)新研究
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于邊界對(duì)稱性選擇的片上螺旋體態(tài)聲傳輸機(jī)制。不同于傳統(tǒng)拓?fù)溥吘墤B(tài)依賴邊界局域傳播，該機(jī)制通過(guò)聲子晶體體能帶對(duì)稱性與邊界終端幾何形態(tài)的協(xié)同作用，在聲子晶體內(nèi)部選擇出特定的體態(tài)，能夠沿聲子晶體內(nèi)部穩(wěn)定傳輸。其設(shè)計(jì)原理基于二維鈮酸鋰聲子晶體在Γ點(diǎn)附近由高對(duì)稱性導(dǎo)致的偶然四重簡(jiǎn)并(圖1)。通過(guò)對(duì)稱性和緊束縛模型分析，建立了邊界對(duì)稱性與體內(nèi)傳播模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)聲子晶體邊界選取在特定鏡面對(duì)稱平面上并滿足自由邊界條件時(shí)，邊界能夠選擇特定宇稱的體模式，從而形成邊界誘導(dǎo)的螺旋體態(tài)。該模式具有類似量子自旋霍爾體系中贗自旋—動(dòng)量鎖定的特征，所不同的是其聲場(chǎng)并不像人們熟知的局域在拓?fù)浣^緣體的邊緣，而是在聲子晶體的內(nèi)部。

 

　　進(jìn)一步在懸浮鈮酸鋰單晶薄膜上構(gòu)建聲子晶體條帶，并將其與片上叉指換能器單片集成(圖2)。激光掃描測(cè)振的結(jié)果證明，聲波在聲子晶體內(nèi)部形成連續(xù)傳播通道；雙端口射頻測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了該通道在射頻頻段的穩(wěn)定傳輸能力(圖3)。實(shí)驗(yàn)中，即使在聲子晶體通道中引入波長(zhǎng)量級(jí)的結(jié)構(gòu)缺陷，這一螺旋體態(tài)仍能保持較強(qiáng)傳輸，顯示出對(duì)局部缺陷和界面擾動(dòng)的良好容忍性(圖4)。這一機(jī)制將傳統(tǒng)上難以兼得的兩個(gè)器件需求結(jié)合起來(lái)：一方面，邊界誘導(dǎo)螺旋體態(tài)具有較強(qiáng)的抗背散射能力；另一方面，由于其聲場(chǎng)分布占據(jù)聲子晶體內(nèi)部區(qū)域，可更充分地匹配寬孔徑叉指換能器產(chǎn)生的聲場(chǎng)，從而提高聲能注入與讀出效率。同時(shí)，該體態(tài)通道還表現(xiàn)出慢波傳輸特性，可在較短芯片長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效聲學(xué)延遲，為緊湊型延遲線、相位控制器和片上聲學(xué)信號(hào)處理器件提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑。
 

　　3. 研究意義與應(yīng)用前景
 

　　本研究在薄膜鈮酸鋰聲子晶體平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可由叉指換能器直接激發(fā)和讀出的邊界誘導(dǎo)螺旋體態(tài)聲傳輸，將體態(tài)傳輸機(jī)制推進(jìn)到微納片上射頻器件，突破了傳統(tǒng)上拓?fù)溥吘墤B(tài)在寬孔徑電聲耦合和材料利用效率方面的限制，實(shí)現(xiàn)了抗背散射、高通量耦合與慢波延遲等關(guān)鍵性能的協(xié)同統(tǒng)一。從基礎(chǔ)研究角度看，該工作揭示了邊界對(duì)稱性在選擇體態(tài)聲傳輸通道中的重要作用，提出了“Γ點(diǎn)簡(jiǎn)并—邊界對(duì)稱性選擇—體內(nèi)螺旋傳輸”的設(shè)計(jì)框架。這一機(jī)制不依賴于單一材料體系，而是建立在聲子晶體能帶對(duì)稱性與邊界調(diào)控之上，因而具有普適性和可拓展性。從應(yīng)用角度看，邊界誘導(dǎo)螺旋體態(tài)為構(gòu)建新型片上聲學(xué)傳輸線、低反射聲學(xué)互連、緊湊延遲線、射頻濾波器和多功能聲子芯片提供了新的設(shè)計(jì)思路，有望服務(wù)于高性能射頻前端、片上聲學(xué)信號(hào)處理、聲光調(diào)制、聲流控操控、聲量子混合系統(tǒng)以及高靈敏傳感等應(yīng)用場(chǎng)景?？傊狙芯堪l(fā)展的“體內(nèi)傳播、邊界選擇、寬孔徑耦合”的片上聲波調(diào)控新機(jī)制，為發(fā)展新一代高性能集成聲子器件提供了通用的和可工程化的設(shè)計(jì)路徑。
 

　　相關(guān)成果以 “Boundary-induced helical bulk acoustic transport in LiNbO? thin films” 為題發(fā)表于 《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，并被選為編輯推薦。論文第一作者為南京大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生李喆，通訊作者為余思遠(yuǎn)教授和陳延峰院士。盧明輝教授、何程教授、顏學(xué)俊副教授對(duì)本研究亦作出了重要貢獻(xiàn)，合作者還包括秦禎輝、武樹茂、郝晨蓓、潘范赟、嚴(yán)浩、賀奕涵和周嚴(yán)琛。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
 

　　引用：陳延峰院士團(tuán)隊(duì)：鈮酸鋰薄膜聲子晶體中的螺旋體聲波-南京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年6月24日】