中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
南京大學(xué)陳延峰教授、盧明輝教授團(tuán)隊(duì)近日在GHz聲表面波（SAW）的調(diào)控領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們基于單晶鈮酸鋰集成電聲系統(tǒng)，通過引入納米尺度平移形變的合成維度，成功實(shí)現(xiàn)了GHz聲表面波的拓?fù)洳屎缧?yīng)。利用這一效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并展示了兩種拓?fù)浔Ｗo(hù)的功能器件：一種是彩虹類單頻聲表面波濾波器，其具有廣泛可調(diào)的工作頻率范圍；另一種是彩虹類微型諧振腔，其具備極小的模式體積和高品質(zhì)因子。這一研究揭示了拓?fù)湫?yīng)在寬頻段內(nèi)精準(zhǔn)控制GHz聲波的巨大潛力，將推動拓?fù)渎晫W(xué)效應(yīng)在微波聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究成果以“Gigahertz surface acoustic wave topological rainbow in nanoscale phononic crystals”為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）期刊。論文的第一作者為南京大學(xué)副研究員張子棟，通訊作者為南京大學(xué)盧明輝教授和陳延峰教授。南京大學(xué)余思遠(yuǎn)副教授也為該工作做出了重要貢獻(xiàn)。此項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助與支持。
聲表面波器件相比GHz電磁器件，具有體積更小、能耗更低等優(yōu)勢，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種量子系統(tǒng)的互聯(lián)，如超導(dǎo)量子比特和缺陷色心，其開辟了量子互聯(lián)的新途徑。因此，實(shí)現(xiàn)對聲表面波輸運(yùn)的精確控制，包括傳輸和局域，對于充分釋放射頻（RF）聲子的潛力至關(guān)重要。拓?fù)渎晫W(xué)為操控聲表面波提供了一個(gè)有前景的途徑，促進(jìn)了低損耗波導(dǎo)的發(fā)展。然而，目前聲表面波拓?fù)浣^緣體的設(shè)計(jì)主要通過調(diào)控體帶色散來實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)。多頻率拓?fù)淦骷?，如拓?fù)洳屎?，尚未被探索?；诤铣删S度的拓?fù)洳屎缧?yīng)為聲表面波的簡便且精準(zhǔn)的控制提供了新的可能。
圖1展示了本文基于鈮酸鋰的一維聲表面波聲子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖及其拓?fù)涮匦?。如圖1a所示，通過引入平移參數(shù)ξ（0 ≤ ξ ≤ 1）構(gòu)建了合成維度，并結(jié)合布洛赫波矢量形成二維合成空間（k，ξ）。隨著ξ的變化，Zak相位從0增至2π（圖1c），從而在帶隙內(nèi)形成拓?fù)浔Ｗo(hù)的無間隙“手性”邊界態(tài)（圖1d），實(shí)現(xiàn)了通過平移形變構(gòu)建的實(shí)空間拓?fù)洹狢hern絕緣體。數(shù)值計(jì)算傳輸譜結(jié)果表明，不同ξ值下的傳輸譜顯示了帶隙內(nèi)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。這些結(jié)果表明，平移引入的合成維度能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的無間隙邊界態(tài)，為設(shè)計(jì)具備可調(diào)頻率和位置的片上聲學(xué)器件提供了新的思路。
圖1 (a) 一維聲子晶體具有完整的周期（上圖）和具有ξa的空間平移（下圖）。(b) 一維聲子晶體的聲表面波帶結(jié)構(gòu)，其中陰影區(qū)域?yàn)閹丁?c) 隨參數(shù)ξ變化的Zak相位演化。(d) 從ξ = 0到ξ = 1的邊界下，一維聲子晶體的傳輸譜。
該拓?fù)湫?yīng)可用于設(shè)計(jì)兩類高效的拓?fù)渎暠砻娌ㄆ骷阂活愂遣屎珙悊晤l聲表面波濾波器，其具有廣泛可調(diào)的工作頻率范圍。圖2展示了一個(gè)單個(gè)聲表面波聲子晶體器件，其中引入了平移參數(shù)ξ。圖中顯示了平移參數(shù)應(yīng)用于左側(cè)區(qū)域，將結(jié)構(gòu)劃分為T-PnC和PnC兩部分。圖2b、2c和2d分別為該結(jié)構(gòu)的放大SEM圖、AFM圖像和橫截面SEM圖像，均表明該結(jié)構(gòu)具有良好的均勻性和平滑表面。實(shí)驗(yàn)中，利用圖2a中的一對叉指換能器進(jìn)行傳輸譜的測量，圖2e總結(jié)了不同ξ值下的傳輸譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在禁帶內(nèi)存在無間隙的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。圖2f展示了ξ = 0.7時(shí)的傳輸譜，其在1.0636 GHz處出現(xiàn)一個(gè)高品質(zhì)因子（Q = 1687）的共振峰，且拓?fù)溥吔鐟B(tài)在不同平移量下仍保持良好的共振特性。
圖2 (a) 具有空間邊界的聲子晶體的SEM圖像。(b) 具有不同ξ值的聲子晶體的放大SEM圖像。(c) ξ = 0.3時(shí)的聲子晶體原子力顯微鏡圖。(d) 結(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖像。(e) 實(shí)驗(yàn)測得的從ξ = 0到ξ = 1的空間邊界下，一維聲子晶體的傳輸譜。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用激光振動儀對波的傳輸進(jìn)行表征。選擇了ξ = 0.3和ξ = 0.7的樣品作為代表，圖3-1和圖3-3展示了通帶和禁帶內(nèi)的聲表面波位移場分布。在通帶中，聲表面波能夠高效傳播；而在禁帶中，聲表面波在通過若干單胞后被完全散射。圖3-2和圖3-4展示了兩種樣品在共振峰處的位移場分布，在諧振頻率處，聲表面波在空間邊界處得到了很好的局域。這些結(jié)果確認(rèn)了禁帶內(nèi)存在一系列非平凡的局域態(tài)，這些態(tài)為實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)工作頻率的芯片級單頻濾波器提供了可能。
圖3 聲表面波的面外位移場分布圖，頻率分別對應(yīng)第一能帶，帶隙，及ξ = 0.3和0.7時(shí)腔體共振頻率。
另一類拓?fù)渎暠砻娌ㄆ骷遣屎珙愇⑿椭C振腔，其具備極小的模式體積和高品質(zhì)因子。圖4展示了通過引入合成維度ξ，沿聲波傳播方向逐漸變化的方式施加BvK邊界條件，并通過頻率依賴性波分離實(shí)現(xiàn)彩虹類聲表面波諧振腔。該結(jié)構(gòu)由三部分組成：阻擋區(qū)和分散區(qū)（圖4a）。隨著ξ從0變化到1，不同頻率的聲波在不同位置聚集，從而實(shí)現(xiàn)頻率分裂。如圖4a所示，寬頻聲表面波遇到BvK邊界時(shí)，不同頻率的聲波在不同的平移參數(shù)處集中，形成頻率分裂效應(yīng)。圖4c和圖4d分別展示了帶有BvK邊界的實(shí)驗(yàn)樣品的SEM和AFM圖像，證實(shí)了我們制備了一個(gè)楔形槽，其寬度從0 nm逐漸增加到802 nm。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該彩虹類聲表面波諧振腔顯示出良好的頻率分離能力，局域態(tài)具有較小的模式重疊和良好的局域特性。該系統(tǒng)克服了二維晶格中通過慢聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)彩虹效應(yīng)的局限，為高效多頻的聲表面波拓?fù)渎酚善鞯膶?shí)現(xiàn)提供了新的可能。
圖4 (a) Born-von-Karman (BvK) 邊界示意圖。(b) 帶有BvK邊界的聲子晶體的頂部SEM圖像。(c, d) 放大的SEM圖（b）和原子力顯微鏡圖像（c）。(e-h) 在不同頻率下實(shí)驗(yàn)測量的BvK邊界的聲表面波位移場強(qiáng)度。
平移引起的Zak相中的2π相繞組是產(chǎn)生無間隙拓?fù)溥吔鐟B(tài)的來源。在準(zhǔn)一維系統(tǒng)中，在聲子晶體禁帶內(nèi)的反射相位反映了Zak相的變化。因此，我們通過反射相位實(shí)驗(yàn)測量了2π的相繞組。具體測試過程如圖5a和圖5b所示，當(dāng)右側(cè)叉指換能器激發(fā)的聲表面波遇到聲子晶體時(shí)，聲波會被反射。在平移過程中，由于禁帶內(nèi)出現(xiàn)無間隙的邊界態(tài)，反射相位會發(fā)生2π的相位纏繞，如圖5c和5d所示。
圖5 (a) 用于測試反射相位的實(shí)驗(yàn)樣品的SEM圖像。(b) 聲子晶體的SEM圖像，ξ = 0（上圖）和ξ = 0.40（下圖），用于測量反射相位。(c) 在1.05 GHz（帶隙內(nèi)）時(shí)模擬的歸一化反射位移場。(d) 在1.05 GHz（帶隙內(nèi)）時(shí)實(shí)驗(yàn)測得的歸一化反射位移場。
本研究通過構(gòu)建合成維度，實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰聲子晶體的GHz聲表面波拓?fù)洳屎缧?yīng)。通過一維聲子晶體，成功實(shí)現(xiàn)了對聲表面波的二維控制。合成維度賦能的聲表面波拓?fù)洳屎绮粌H實(shí)現(xiàn)了片上單頻濾波器，其具備廣泛可調(diào)的工作頻率范圍，還實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)合成參數(shù)調(diào)節(jié)位置諧振腔。這些多頻微波聲學(xué)器件能夠滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對高密度集成的需求，且將在片上集成的拓?fù)渎晫W(xué)設(shè)備中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，如拓?fù)渎酚善骱屯負(fù)渑R時(shí)存儲等。隨著聲表面波在量子系統(tǒng)互聯(lián)中的進(jìn)一步發(fā)展，基于合成維度的聲表面波拓?fù)淦骷型诹孔有畔⑻幚眍I(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
