【儀表網 研發快訊】中國科大郭光燦院士團隊鄒長鈴教授與清華大學交叉信息研究院孫麓巖教授、賓夕法尼亞州立大學Mourad Oudich和Yun Jing教授等開展合作研究，在拓撲聲子學與集成聲子電路(Phononic Integrated Circuits, PnICs)領域取得重要進展。研究團隊首次在非懸空、片上大規模可拓展的微米尺度波導中，實現了1.5 GHz頻率的拓撲聲子邊緣態與魯棒Thouless泵浦，并研制出具備電調功能的拓撲聲子馬赫-曾德爾干涉儀聲學開關和調制器。這一重要研究成果以《Gigahertz topological phononic circuits based on micrometer-scale unsuspended waveguide arrays》為題，于8月25日在國際知名學術期刊《自然·電子》(Nature Electronics)發表。
聲子集成線路作為繼電子、光子之后的新一代片上信息傳播載體，在經典和量子信息處理中具有巨大的應用潛力，涵蓋微波信號處理、精密傳感和量子頻率轉換等多個方向。然而，傳統聲子器件面臨諸多技術瓶頸：工作頻率低、依賴于懸空結構、缺乏有效的動態調控手段，且對制造缺陷的容錯能力不足，嚴重制約了其發展。
圖1.GHz頻段的非懸空可重構拓撲聲子芯片示意圖
研究團隊創新性地利用藍寶石基底和氮化鎵芯片材料的高聲學折射率對比度，設計了微米尺度的波導結構，成功將聲波有效限制在芯片表面(圖1b)。這項研究首次實現了工作頻率達1.5 GHz的可重構、非懸空、集成式拓撲聲子波導陣列(圖1a)。該芯片巧妙利用相鄰波導間倏逝場耦合，構建了等效“一維非對角Aubry-André-Harper模型”的拓撲聲子晶格。通過自主搭建的高靈敏度(30fm/Hz)振動探測儀，成功觀測到了拓撲聲學邊界態、Thouless泵浦效應，并驗證了其對結構缺陷的魯棒性。此外，團隊基于自主開發的聲學模式展開算法，實現對厘米級長度的多波導復雜耦合結構中聲波傳輸的高精度、高效率的數值仿真計算，計算結果與實驗結果高度吻合。
圖2.基于聲學馬赫-曾德爾干涉儀的可重構拓撲聲子線路
基于拓撲泵浦結構，研究團隊進一步設計并實現了拓撲Y分束器和可重構拓撲聲子線路(圖2)。利用熱聲效應原理，僅需25V電壓即可在干涉儀兩臂間引入π相位差，實現對拓撲聲子傳輸路徑的快速電控切換。通過施加高速射頻信號，器件還可以實現對聲波的強度調制，3 dB調制帶寬達650 Hz。為未來開發基于規模化拓撲聲子線路的信息處理應用奠定了堅實基礎。
這項工作為解決大規模集成聲子電路在高頻、可重構、魯棒性等方面的核心技術難題提供了創新解決方案，充分展示了拓撲聲子學在微波聲學芯片領域的巨大應用潛力。該技術平臺具有與光子學器件和超導量子器件集成的天然優勢，為未來經典與量子信息處理提供了全新的混合集成技術路徑，有望推動聲子芯片在5G/6G射頻前端、微波光子雷達、量子接口等戰略性領域的產業化應用。
中國科學技術大學物理學院徐新標特任副研究員、美國賓夕法尼亞州立大學Mourad Oudich助理教授和曾遇博士研究生為論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委、北京國家凝聚態物理實驗室、中國科學技術大學“雙一流”建設經費等項目的大力支持。
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