导读

近日，固体微结构物理国家重点实验室在铌酸锂晶体上，单片集成地实现了空间拓展的声表面波拓扑边界/传输线。相关成果以“Extended topological valley-locked surface acoustic waves”为题发表于国际一流综合性期刊《Nature Communications》。该工作首次实现了声表面波体系的谷霍尔效应及谷保护的拓扑边界，并在此基础上发展了对声表面波拓扑边界的修饰方法——通过在边界处引入声表面波“石墨烯”带（graphene ribbon），将原先一维声表面波拓扑边界进行空间拓展，实现了具有数倍声表面波波长宽度的准二维拓扑边界。该工作从根本上解决了声表面波拓扑边界与声表面波叉指换能器在空间尺寸上难以匹配的难题，使拓扑声子晶体真正可以实现微波信号传输，是推动拓扑声子学应用于高频集成声学器件的关键一步。

研究背景

声表面波技术是模拟信号处理的关键性技术之一，在移动通讯领域发挥着重要的作用。近年来，声表面波在光子学、生物医学、科学等领域亦发展迅速，带来了很多新颖应用，例如：片上声光调控、声学微流操控以及基于声的信息处理等。无论是传统声表面波模拟器件抑或是与声表面波结合的交叉学科，都期望能够进一步实现对声表面波的精确操控。在此背景下，高质量的片上二维声表面波波导（传输线）具有重要的发展前景。

在二维声表面波波导领域，现已提出数种实现方案，主要包括： 1）基于声表面波声子晶体线缺陷模式的波导1,2；2）基于多层薄膜材料，表面与基底具有声学阻抗失配的脊状波导3,4；3）悬浮结构波导5,6。然而，现有方案依然面临两个关键性问题有待解决：1）如何提高波导在弯折或分路时的传输效率，抑制能量泄露与反射，使得复杂的片上集成声路成为可能；2）如何实现波导与声表面波换能器的匹配，使换能器激发的宽频声表面波能够很好的进、出波导，并与微波信号进行转换。

创新研究

研究团队率先开发出声表面波拓扑声子晶体7，并借助近期提出的对拓扑界面进行空间拓展的方法8,9，在铌酸锂晶体上，单片集成地实现了一种空间拓展的声表面波拓扑传输线。该方案同时解决了上述两个关键性研究难题，实现了宽频、抗反射、高自由度、低损耗的声表面波传输线；并利用该传输线真正实现了微波信号传输。

首先，研究团队借助于其前期开发的声表面波“石墨烯”材料，通过打破空间反演对称性，实现了声表面波谷拓扑绝缘体，并进而构建出声表面波谷霍尔效应，实现了声表面波谷保护拓扑边界态。（图1）

图1，a声表面波声子晶体示意；b-d（上）声子晶体SEM照片，（下）对应的声子晶体能带；b/d两种不同拓扑相的“谷拓扑绝缘体”；c声表面波“石墨烯”；g声表面波谷保护拓扑边界态的能带；h拓扑边界处声场的模拟和实验结果。

接着，研究团队对声表面波谷保护拓扑边界进行修饰， 在边界处引入声表面波“石墨烯”带，构成了一个声表面波声子晶体异质结。受异质结两侧谷拓扑绝缘体和中部“石墨烯”半金属带的共同影响，原本仅有单个波长宽度的声表面波拓扑边界可被空间拓展至数倍乃至数十倍宽度。（图2）

图2，a-c在谷保护拓扑边界处分别增加分子层数为3、5、7的声表面波“石墨烯”带，实现的声表面波拓展拓扑边界；d-f 模拟和实验情况下拓展拓扑边界的能带。h-g实验和模拟情况下，这些拓展拓扑边界的声场和相位分布情况。

这些空间拓展的声表面波拓扑边界，完全保留了原先未拓展拓扑边界的高效传输能力。波导在弯折、分路时展现出近乎100%的传输效率。（图3）

图3，用拓展拓扑边界构建的声表面波分束器

尤为重要的是，这种空间拓展的拓扑波导极大地提升了声表面波换能器与波导的耦合能力。众所周知，宽频、高效的声表面波换能器往往需要较大的发射孔径（大于数倍乃至数十倍声表面波波长）。因此，在现有由声表面波“换能器-波导-换能器”构建的声表面波传输线中，换能器所激发的声表面波仅有极少部分可以进入波导——这极大地损害了整个传输线的微波信号透过率（即双端口器件的S21参数），使其几乎难以实现任何一种信号处理功能。而对拓展声表面波波导而言，由于其孔径得到了前所未有的极大提升，换能器所激发的声表面波有更多部分乃至全部可以进入波导——这极大提升了整个传输线的效率，使其可以用作后续的信号处理。

研究团队制备了多款由声表面波“换能器-拓扑波导-换能器”构建的微波传输线。在拓扑波导未被拓展的情况下，波导传输信号的损耗很大（-26dB），分辨率很差；而在仅放置5层晶格的声表面波“石墨烯”带后，空间拓展波导传输信号的损耗分辨率即已得到了很大提升（升至-11dB），信号分辨率提升了15dB。（图4）

图4，声表面波换能器与拓扑波导的空间匹配。a/b在拓扑波导未经拓展的情况下，换能器所激发的声表面波（黄色箭头）仅有极少部分可以进入波导；实验测得的“换能器-波导-换能器” 微波传输线的S21中，波导信号损耗极大，分辨率很低。c/d在拓扑波导经些许拓展后，换能器所激发的声表面波（黄色箭头）有更多部分可以进入波导；在实验测得的传输线的S21中，波导信号损耗显著降低，分辨率显著提升。

工作总结

本工作首次从实验的层面展示了声表面波体系中的谷霍尔效应，并在此基础上发展了对声表面波拓扑边界的修饰方法，将原先有效孔径在单个波长尺寸的声表面波拓扑边界进行空间拓展，实现了具有数倍波长宽度的准二维拓扑边界/波导。这一拓扑波导在实现宽频、高自由度、抗反射、低损耗的基础上，一并解决了现有声表面波波导孔径与换能器孔径在空间上失配的难题，实现了有效的微波信号传输。该工作是推动拓扑声子学应用于高频集成声学器件的关键一步，并对未来大规模、多功能、高保真的声-光集成线路的发展有一定的借鉴意义。

论文信息

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29019-8

 参考文献：

 1    Sun, J.-H. & Wu, T.-T. Propagation of surface acoustic waves through sharply bent two-dimensional phononic crystal waveguides using a finite-difference time-domain method. Phys. Rev. B 74, 174305, (2006).

2   Muhammad et al. Surface elastic waves whispering gallery modes based subwavelength tunable waveguide and cavity modes of the phononic crystals. Mechanics of Advanced Materials and Structures 27, 1053-1064, (2020).

3     Fu, W. et al. Phononic integrated circuitry and spin-orbit interaction of phonons. Nat. Commun. 10, 2743, (2019).

4  Wang, W. et al. High-acoustic-index-contrast phononic circuits: Numerical modeling. J. Appl. Phys. 128, 184503, (2020).

5   Balram, K. C., Davanço, M. I., Song, J. D. & Srinivasan, K. Coherent coupling between radiofrequency, optical and acoustic waves in piezo-optomechanical circuits. Nat. Photon. 10, 346-352, (2016).

6   Dahmani, Y. D., Sarabalis, C. J., Jiang, W., Mayor, F. M. & Safavi-Naeini, A. H. Piezoelectric Transduction of a Wavelength-Scale Mechanical Waveguide. Phys. Rev. Applied 13, 024069, (2020).

7   Zhang, Z.-D. et al. Topological Surface Acoustic Waves. Phys. Rev. Applied 16, 044008, (2021).

8    Wang, M. et al. Valley-locked waveguide transport in acoustic heterostructures. Nat. Commun. 11, 3000, (2020).

9    Wang, M. et al. Topological One-Way Large-Area Waveguide States in Magnetic Photonic Crystals. Phys. Rev. Lett. 126, 067401, (2021).

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