导读
2024年2月5日，物理科学与工程学院声子学与热能科学研究中心陈杰教授课题组在期刊Physical Review B 上发表了题为“Phononic metagrating for lattice wave manipulation”的研究论文,展示了基于广义斯奈尔定律调控声子波动性的研究进展。
研究背景
声子作为半导体材料热输运的主要载体，调控声子输运以及材料的热输运性质对于电子器件散热和能量转化方面具有重要意义。声子作为一种基本粒子，同样具有波粒二象性。基于声子的粒子性调控材料的热导率，例如引入缺陷、增加表面粗糙程度、同位素掺杂等手段已经十分成熟并获得了广泛应用。近些年来，研究人员发现在多界面体系以及复杂晶体中，声子的波动性对热输运的贡献不可忽略，相比于对声子粒子性的调控，对声子波动性的依然缺乏相应的手段。
此外，单模声PHYSICAL REVIEW B 109, 075404 (2024)子的波动性在多个领域具有重要应用，例如利用声子激光探测晶体表面损伤以及高保真信号传输。此外，声子的波动行为携带有相位信息，这使得其相比与声子的粒子性有着更多的自由度进行信息传递。因此，利用声子的波动性进行高效信息传递对于信息安全通信和存储开辟了新途径。更为重要的是，调控声子的波动性对于量子信息计算具有重要意义，目前的量子计算机主要是通过使用光子的光学系统来实现的，线性光学量子计算是使用广泛量子计算方法，然而，在光子系统中存在一些技术瓶颈，特别是光子损失、非确定性产生和光子态的低效检测阻碍了其进一步可扩展性并限制了其量子优势 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA 。因此，探索新的实验平台变得十分必要。由于声子和光子之间的相似性，利用声子实现线性机械量子计算成为一条新兴的备受关注的新途径。
近年来，利用超材料调控声波和光波的传输取得了一系列重要进展。2011年，Capasso等人在光学系统中提出了广义斯奈尔定律，利用具有相位梯度的超表面或者超材料实现了光波的反常传输。随后广义斯奈尔定率在声波系统里也得到了广泛的应用，各种奇特的声学现象例如声波的反常传播、声束弯曲、声波的非互易传播、声聚焦等现象陆续被报道。由于声子的波动行为和声波具有类似性，能否设计声子超材料来调控声子的波动行为？
研究亮点
本工作利用波包模拟和分子动力学方法，激励声子波包并使其透过超格栅实现声子的反常传播，结构示意图如图1（a）所示。我们利用声子在不同材料中的群速度不同这一特性来实现0-2π相位差，构建八个离散的三明治结构测量并简化为三角形结构，如图1(c)所示。在构建结构完成后，我们激励一个正入射的TA模式声子使其透过所设计的结构，对透射区域的原子振幅做二维傅里叶变换观测模式的数目和传播方向，其结果如图1(d)所示，蓝圈内的模式数量与角度偏转与广义斯奈尔定律所预测的高度一致。
此外，区别与声学系统，晶格系统可以同时存在TA模式和LA模式，这使得在晶格系统内存在模式转换现象。我们发现，通过晶格动力计算获得石墨烯的声子谱如图2(a)所示，我们发现相同频率下的LA模式的波长与红圈内出现的模式波长相一致，将波长带入广义斯奈尔定律，其结果与图1(d)中红圈内的模式高度一致，此外，我们通过改变结构参数多角度预测了模式的偏转并与理论预测相比较验证结果的准确性，结果如图2(b)、(c)、(d)所示。
最后，由于在晶格系统中各个超格栅的基本单元通过共价键相互连接，其内部存在能量交换，这意味着存在很强的非局域效应，能量在透射的各阶模式之间都有分配，而不是只集中于+1阶模式，这显著区别于局域设计中离散的声学系统结构单元。利用非局域效应，我们可以减少声子超格栅的厚度，使得其处于声子的相干尺度之内。
总结与展望
本工作利用人工尺度的微纳结构，在模式层面实现了对声子的波动性调控。我们通过分子动力学结合波包模拟的方法，利用声子在不同材料中群速度不同的特性调节声子相位，在晶格系统中基于广义斯奈尔定律实现了声子的反常传播，理论预测与模拟结果高度吻合。区别于声波和光波，晶格系统中可以允许剪切力的存在，因而同时存在横波TA和纵波LA。在对声子波动性的调控中，我们直接观测到了TA-LA模式的转换，转换后新模式的传播方向由声子谱和广义斯奈尔定律共同决定。更为重要的是，晶格系统的原子之间通过共价键相互连接，功能单元之间以及功能单元内部存在很强的能量交换，这种非局域效应使得晶格系统显著区别于局域设计的声波系统和光波系统，透射出的能量不再集中于+1阶传播模式，而是在各个阶上都有分布。利用这种非局域效应，我们可以大幅度减少声子超格栅的厚度，使其处于声子相干尺度之内。该工作从声子的波动性质入手，首次在晶格系统中实现了单模声子反常传播，晶格系统中模式转换和强耦合特性导致了不同于声学系统的新物理现象出现。该工作将为声子器件设计、太赫兹波段信息传播、热导率调控提供新思路。
同济大学2022级博士生鲁爽为论文第一作者，陈杰教授、李勇教授为论文共同通讯作者。该项工作发表在Physical Review B, 109, 075404 (2024), 得到了国家自然科学基金重大项目和上海市科学技术委员会的支持。
文章引用：PHYSICAL REVIEW B 109, 075404 (2024)
