研究前沿：Phy Rev Appl-单片集成的声表面波拓扑态

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导读

近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、现代工程与应用科学学院的陈延峰教授，卢明辉教授、余思远副教授团队在压电单晶衬底（铌酸锂）上设计和实现了单片集成的声表面波类量子赝自旋霍尔效应，相关工作以Topological Surface Acoustic Waves为题发表于Physics Review Applied。南京大学博士后张子栋为论文的第一作者；余思远副教授、卢明辉教授和陈延峰教授为通讯作者；合作者包括南京大学何程副教授、葛浩助理研究员、博士生王济乾、王洪飞（现为香港城市大学博士后）及上海科技大学信息学院的吴涛教授、博士生刘康福。

研究背景

能带的拓扑特性及其所展现的新颖物理效应是本世纪物理学的重要研究主题。近年来，拓扑能带及拓扑态被广泛推广到各类光、声、力、热系统，孕育出拓扑光子学、拓扑声子学等前沿领域。促成这些领域繁荣的一个重要动机是：拓扑能带可以提供具有“抗反射”特性的光、声传输新机制，从而使得各类具有低传输损耗、高自由传输路径、强缺陷免疫、宽工作带宽、多自由度调控机制等诸多优势的新一代光、声学器件成为可能。在拓扑声子学领域，各国的研究者已经在多个频段的流体声波、固体声波体系中取得诸多重要成果。然而，在声学尤其是集成声学的重要体系——“声表面波（Surface Acoustic Waves）”体系中，拓扑能带的拓扑效应尚未得到有效验证。

声表面波特指在半无限弹性介质表面传播的固体声波，以瑞利（Rayleigh）爵士在1885年对地震波研究中预言的瑞利波为代表。在当今世界，声表面波被大量应用于无线通讯及传感领域。与在透明介质中传播的光波类似，声表面波在刚性介质表面的传播具有极低的损耗；又由于声波的传播速度远慢于电磁波(~1/10⁵)，当使用声表面波加载、处理和调制任意频段的信号时，器件所需要的尺寸远小于同频段的光学器件。特别是，当工作于数十兆赫兹（MHz）至数吉赫兹（GHz）频段时，固态声表面波非常合适于参与集成光学系统中的“光-机械”相互作用、操控流体中的细胞及颗粒、在量子系统中交换量子信息等。因此，在该频段实现声表面波的拓扑态将有望促成拓扑声子学向多个领域延申的器件级应用。

创新研究

本文利用声表面波声子晶体，并采用经典能带折叠的方法，将处于声锥（sound cone）外、位于K点的狄拉克（Dirac）点折叠至Γ点，以形成四重简并的声表面波模式，如图1所示。所采用的声表面波声子晶体如图2（a-c）所示，通过MEMS工艺, 在铌酸锂（LiNbO₃）基底上制备具有蜂窝晶格阵列的声学微型谐振腔。通过破缺空间反演对称性，形成声表面波“绝缘体”。在拓扑能带理论的框架下，可分别实现声表面波“普通绝缘体”及“拓扑绝缘体”，如图2（d-i）所展示。两种“绝缘体”具有频率交叠的带隙。

图1.采用经典能带折叠方法研制声表面波拓扑声子晶体。（a）元胞结构；（b）简约及拓展布里渊区；（c）声表面波声子晶体中的色散曲线，处于Γ点的四重简并点在拓展布里渊区中位于声锥以外，为纯正的非辐射表面波态。

图2. （a-c）基于铌酸锂基底的声表面波声子晶体；（d, e）“普通绝缘体”及“拓扑绝缘体”的样品照片; （f, g）蓝色为对应的声表面波能带；（h, f）带隙上、下的声表面波模态。

图3展示了通过采用两类“绝缘体”边界构建的声表面波拓扑界面（态）。作者采用了激光测振技术对声表面波在拓扑界面上的传播行为进行了表征。图3（c, d）展示了频率在体能带通带频段时的声表面波，其可以顺利通过整个声子晶体。图3（e, f）展示了频率在“绝缘体”带隙内的声表面波，其将局域于拓扑界面进行传输。图3（g，h）展示了声表面波沿拓扑界面前向及反向传播的时域演化，证实了声表面在界面处所具有的“自旋-动量锁定”的特征。

图3. （a）声表面波拓扑界面样品照片及单片集成的实验体系；（b）“自旋-动量锁定”的声表面波界面态；（c, d）通带频率下的声表面波传输；（e, f）禁带频率下的声表面波传输；（g, h）声表面波沿拓扑界面前向及反向传输的时域演化。

现有固体声波拓扑态的研究均采用非压电材料作为介质，并只能通过激光测振仪来表征其拓扑特性。这些工作无法在单片集成（monolithic）的层面上实现电-声信号的转换，限制了其从材料到集成器件的应用。对于面向实际应用的声表面波器件而言，势必需要采用压电材料。在本工作中，作者所实现的声表面波拓扑态基于具有高压电系数及机电耦合系数的铌酸锂单晶，且该拓扑态为纯净的声表面波模式（不具有体波分量）。基于此，作者可以在拓扑界面两端制备由表面金属电极构成的换能器，从而实现单片集成的双/多端口传输线，如图4（a）所示。图4（d, e）展示了实验中网络分析仪所测量到的结果与数值模拟结果。声表面在弯曲形拓扑界面（波导）的传输损耗与在直波导中的传输损耗相接近，侧面展现了声表面波在拓扑传输线中的“抗反射“传输特性。

图4. 单片集成在声表面波拓扑传输线原型器件。（a）器件/实验示意图；（b, c）直波导及弯曲波导的样品照片。（d，e）网络分析仪测量的传输线S₂₁参数及模拟结果。（f-k）两种声表面波波导中的声场分布及静电场分布。

总结

本文展示了首个声表面波体系中的拓扑态；在压电铌酸锂（LiNbO₃）单晶衬底上，采用叉指换能器（IDTs）及MEMS工艺所制备的声子晶体，实现了单片集成的的声表面波拓扑传输线。在同样设计理念下，声子晶体及集成器件的尺寸可持续降低，工作频率可提升至数GHz；简单的传输线亦可以进一步拓展至复杂的片上集成器件，实现多种波束操控及信号处理功能。该工作将推进基于经典及量子设计原理的全固态拓扑声学器件，推动拓扑声子学向高频集成器件方向的发展。

文献链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.044008

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Qj6kFZHjE6McK0MtstPf5w

本文转载自“两江科技评论”。

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