近日，南京大学固体微结构物理全国重点实验室、现代工程与应用科学学院材料科学与工程系陈延峰院士团队在片上声子学与拓扑声学器件领域取得重要进展。研究团队在悬浮铌酸锂单晶薄膜声子晶体中，实现边界诱导的螺旋体态声传输。实验上，通过宽孔径叉指换能器实现了螺旋体态的高效激发与读出，为发展高通量、抗背散射、低色散的射频声学芯片提供了新的原理。相关成果以“Boundary-induced helical bulk acoustic transport in LiNbO₃ thin films”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐。
1.研究背景
在芯片上实现声波的传输、延迟、滤波与调控的片上声子学，是射频信号处理、传感、声光耦合以及声量子混合系统等应用的物理基础。与光波相比，声波具有传播速度低、波长短等特点，因而能够在更小空间内实现更大的信号延迟和更强的能量局域。薄膜铌酸锂兼具强压电效应、低损耗声波传播特性和良好的微纳加工兼容性，同时可通过叉指换能器实现射频电信号与声波信号之间的高效转换，是发展片上声学器件的重要材料平台。然而，在工程中，声波传输往往会受到晶体结构缺陷、边界粗糙、阻抗不连续和模式转换失配等不利因素，导致背散射和多次反射，降低和恶化了片上器件的性能。
拓扑声学为抑制声波背散射提供了新的思路。通常拓扑声学器件利用界面态实现声波传输，使声波在一定程度上能够抵抗缺陷和弯折引起的散射。然而，对于片上射频声学器件，完全依靠拓扑边缘态存在明显局限：因为声场局域于狭窄的界面，不能够充分利用体传播态，而实际器件中常用的叉指换能器具有一定的孔径，使得孔径尺度和模式分布上的不匹配，会导致只有部分声能够有效耦合进入拓扑通道，进而造成插入损耗升高、信号保真度下降以及芯片材料利用率不足等问题。因此，片上拓扑声学器件亟需一种新的声波传输机制：既保留拓扑体系抗背散射的优势，又不局限于狭窄边界或界面，而是在声子晶体内部形成可充分利用器件孔径的体态传输通道，从而实现高通量、低损耗和高保真的片上声波传输。
图1.利用兰姆波声子晶体构建边界诱导螺旋体态声传输的物理机制。
2.创新研究
针对上述问题，团队提出了一种基于边界对称性选择的片上螺旋体态声传输机制。不同于传统拓扑边缘态依赖边界局域传播，该机制通过声子晶体体能带对称性与边界终端几何形态的协同作用，在声子晶体内部选择出特定的体态，能够沿声子晶体内部稳定传输。其设计原理基于二维铌酸锂声子晶体在Γ点附近由高对称性导致的偶然四重简并（图1）。通过对称性和紧束缚模型分析，建立了边界对称性与体内传播模式之间的对应关系。结果表明，当声子晶体边界选取在特定镜面对称平面上并满足自由边界条件时，边界能够选择特定宇称的体模式，从而形成边界诱导的螺旋体态。该模式具有类似量子自旋霍尔体系中赝自旋—动量锁定的特征，所不同的是其声场并不像人们熟知的局域在拓扑绝缘体的边缘，而是在声子晶体的内部。
图2.基于铌酸锂薄膜兰姆波声子晶体的片上边界诱导螺旋体态声传输器件。
进一步在悬浮铌酸锂单晶薄膜上构建声子晶体条带，并将其与片上叉指换能器单片集成（图2）。激光扫描测振的结果证明，声波在声子晶体内部形成连续传播通道；双端口射频测试进一步验证了该通道在射频频段的稳定传输能力（图3）。实验中，即使在声子晶体通道中引入波长量级的结构缺陷，这一螺旋体态仍能保持较强传输，显示出对局部缺陷和界面扰动的良好容忍性（图4）。这一机制将传统上难以兼得的两个器件需求结合起来：一方面，边界诱导螺旋体态具有较强的抗背散射能力；另一方面，由于其声场分布占据声子晶体内部区域，可更充分地匹配宽孔径叉指换能器产生的声场，从而提高声能注入与读出效率。同时，该体态通道还表现出慢波传输特性，可在较短芯片长度内实现有效声学延迟，为紧凑型延迟线、相位控制器和片上声学信号处理器件提供了新的实现路径。
图3.片上边界诱导螺旋体态声传输的近场成像与射频测试验证。
图4.边界诱导螺旋体态声传输的鲁棒性验证。
3.研究意义与应用前景
本研究在薄膜铌酸锂声子晶体平台上实现了可由叉指换能器直接激发和读出的边界诱导螺旋体态声传输，将体态传输机制推进到微纳片上射频器件，突破了传统上拓扑边缘态在宽孔径电声耦合和材料利用效率方面的限制，实现了抗背散射、高通量耦合与慢波延迟等关键性能的协同统一。从基础研究角度看，该工作揭示了边界对称性在选择体态声传输通道中的重要作用，提出了“Γ点简并—边界对称性选择—体内螺旋传输”的设计框架。这一机制不依赖于单一材料体系，而是建立在声子晶体能带对称性与边界调控之上，因而具有普适性和可拓展性。从应用角度看，边界诱导螺旋体态为构建新型片上声学传输线、低反射声学互连、紧凑延迟线、射频滤波器和多功能声子芯片提供了新的设计思路，有望服务于高性能射频前端、片上声学信号处理、声光调制、声流控操控、声量子混合系统以及高灵敏传感等应用场景。总之，本研究发展的“体内传播、边界选择、宽孔径耦合”的片上声波调控新机制，为发展新一代高性能集成声子器件提供了通用的和可工程化的设计路径。
论文第一作者为南京大学材料科学与工程系博士生李喆，通讯作者为余思远教授和陈延峰院士。卢明辉教授、何程教授、颜学俊副教授对本研究亦作出了重要贡献，合作者还包括秦祯辉、武树茂、郝晨蓓、潘范赟、严浩、贺奕涵和周严琛。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/x6mm-jgzx
