拓撲絕緣體最早是在凝聚態(tài)物理中發(fā)現(xiàn)，用來描述電子的特殊傳輸性質(zhì)——內(nèi)部絕緣，邊界導電且抗散射。而最近，很多物理學家們將這個概念拓展至光子和聲子等系統(tǒng)。通過人工設計的晶格結(jié)構(gòu)，人們可以模擬“自旋霍爾效應”，讓這些波沿著邊界“拓撲保護”傳播，不容易被雜質(zhì)散射回去（backscattering）。

然而，拓撲效果雖然可以防止散射，但并不能防止能量損耗（衰減）。與電子不同，聲音極易在彎折處泄漏能量。過去研究中的芯片級聲子波導（不論是否拓撲）損耗都比較大，大概是每厘米幾 dB，非常不理想。

圖丨從左至右依次為：Albert Schliesser、Ilia Chernobrovkin、Eric Langman和習翔（習翔）

這種局面不久前被打破。在一篇發(fā)表于 Nature 的研究中，丹麥哥本哈根大學尼爾斯玻爾研究所（Niels Bohr Institute）習翔助理教授和阿爾伯特施利塞爾（Albert Schliesser）教授團隊，聯(lián)合瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院和德國康斯坦茨大學，共同展示了一種芯片級聲子波導，其損耗僅為每公里 3 dB，而且在室溫下運作。這意味著，聲子的傳播距離，相比之前的芯片器件是幾個數(shù)量級的改進。

在這款芯片中，聲子以 99.99% 的概率通過彎角而不發(fā)生反向散射，且每百萬個聲子中損失不足一個。相關論文以《用于聲子的軟約束拓撲波導》（A soft-clamped topological waveguide for Phonons）為題發(fā)表在 Nature 上 [1]。

圖｜相關論文（Nature）

聲子（Phonon）是固體或液體中聲音的量子激發(fā)態(tài)。與光子或電子相比，聲子傳播速度更慢、更容易在材料中被強限制，同頻率下尺寸更小，并且天然免疫于電磁輻射。這些特性讓芯片級聲子電路成為可能，用于在更緊湊、高效且具魯棒性的體系中，引導、存儲和處理經(jīng)典或量子信息。

在特定人工晶格結(jié)構(gòu)中，聲波傳播可展現(xiàn)拓撲性質(zhì)，并具備減少反向散射的潛力。先前實驗已經(jīng)給出了拓撲保護傳輸?shù)牟糠謱嵶C，但關于反向散射概率的定量測量仍然稀缺。此外，拓撲保護并不必然意味著低損耗。該研究首次解決了這兩個問題。

圖｜沿兩個拓撲結(jié)構(gòu)不同的區(qū)域界面引導的面外振動模式的渲染圖（Nature)

本研究首次將兩種物理機制融合。其一是“谷-霍爾（Valley-Hall）拓撲效應”：研究者在一層 20 納米厚的氮化硅（SiN）膜上刻蝕出蜂窩狀微孔。通過旋轉(zhuǎn)三角形孔的方向，構(gòu)造出兩種相反“谷態(tài)”（valley edge mode）的聲子晶格。兩者之間的界面就像一條高速路，每個方向上僅允許帶特定谷自旋的振動能量沿其邊緣流動，并天然抑制反散射。

其二是該研究突破的秘訣，研究團隊借助了近期納米機械共振系統(tǒng)在耗散稀釋方面的創(chuàng)新——的“軟夾持”（Soft Clamping）：與傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)將薄膜死死固定不同，這種設計允許振動模式平滑衰減到材料內(nèi)部，使能量主要儲存在“拉伸”而非“彎曲”中，大幅降低損耗。

圖｜谷霍爾效應拓撲絕緣體（Nature）

圖｜拓撲聲子波導圍繞成三角形路徑的顯微鏡圖像。（ Nature）

為了測試能量損耗，研究團隊將波導“折”成一圈三角形路徑，每條邊僅 15–19 個晶格單元長，三角形的三個頂點處由 120° 彎角連接各邊。實驗顯示，波導中聲子的傳播損耗低至 3dB/km。相較之下，以往芯片聲子波導的損耗通常在 10?dB/km 量級。值得注意的是，這一損耗水平已與超導微波波導相當，并逐漸逼近光纖。

同時研究團隊也開展了高分辨率超聲譜測量，以精確量化反向散射效果。結(jié)果表明，三角形的彎折是反向散射的主要來源，但平均概率僅為 1.1×10??，即約 99.99% 的聲子能量能夠順利繞過每一個彎角并不發(fā)生反向散射，且每百萬個聲子中損失不足一個。

（資料圖）

談及技術(shù)的未來發(fā)展，習翔對 DeepTech 表示，這項成果不應僅僅是面向某個具體未來應用——盡管它蘊含著豐富的潛力。例如，這種超低損耗的聲子傳輸，可以用來構(gòu)建精度媲美光學的聲子干涉儀，并且因為聲子本身帶有質(zhì)量，這種干涉儀將可以用在各種前沿物理的探索中。

他們目前最感興趣的，是進一步探索這一方法的潛能。“現(xiàn)在，我們希望在實驗中進一步探索這種方法，看看它還能實現(xiàn)什么。例如，我們想構(gòu)建更加復雜的結(jié)構(gòu)，觀察如何讓聲子在其中穿行，或者設計讓聲子像汽車在十字路口相撞的結(jié)構(gòu)。這樣我們能更好地理解其極限能力以及可能產(chǎn)生的新應用。”他說道，“基礎研究，就是為了創(chuàng)造新的知識。”