Nature Materials：片上谷拓扑材料- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-30

导读：共同第一作者三人，华南理工大学严谋博士生，陆久阳副教授，李锋教授，通讯作者武汉大学刘正猷教授。

在10月29号的超材料一周精选中，由于编者的疏漏和篇幅所限，《2、应用于弹性波操纵的片上谷拓扑材料》的报道标注作者有误，在此向原文作者致以诚挚的歉意，并在本篇报道中更正。两江科技评论将在以后的工作中认真听取读者的建议，不断学习、努力提升质量，继续为大家提供更为专业客观的前沿科技报道和评论。”

导读

近日，来自华南理工大学和武汉大学的研究团队经过精心设计，通过借助微加工制备工艺，在硅片上实现了用于弹性波操控的谷拓扑材料。理论和实验表明：弹性波能够以边界态的形态在该芯片上按照所设计路径进行低损耗传输。同时，在通道的交叉点处，谷边界态存在反常的弹性波分流（partition）现象，其分配比可以进行自由调节。这些研究结果可有助于实现片上高性能的微结构超声材料和器件。相关研究以“On-chip valley topological materials for elastic wave manipulation”为题发表在近期的《Nature Materials》上，华南理工大学的博士生严谋、陆久阳副教授和李锋教授为文章的共同第一作者，通讯作者是武汉大学的刘正猷教授。

背景

电子作为一种能够存储和传递信息的媒介，它是现代信息社会发展的技术基石。众所周知，电荷是电子的内禀自由度之一，电荷的“有”、“无”可以代表二进制“1”、“0”这两种基本状态，这就是二极管、晶体管等电子器件实现数字信号处理的物理基础。随后，科学家发现自旋（spin）这一内禀自由度同样有助于信息的高速传递和高密度存储，据此发展出磁性隧道结、巨磁阻效应等自旋电子学（spintronics）领域的基础研究和应用。近年来，随着二维石墨烯材料、强关联材料体系的飞速发展，人们还发现了固体中电子的另一个自由度——“谷自由度”（valley degree of freedom）。这里的“谷”代表着电子能带中像“山谷”一样的结构，即为能带结构中的极值点。一般而言，能带中的“谷”会成对出现，如下图所示的石墨烯能带中成对出现的K和K’点，这两个能谷是由“时间-反演对称性”相联系的，无法通过平移对称性相互转化。由于在某些特性上与电子自旋息息相关，科学家也将这种谷自由度称为“赝自旋”（pseudospin），这是一个全新的自由度，能够为信息技术增加新的载体和处理容量。

石墨烯的能带结构（图片来源：https://mappingignorance.org/2017/06/08/link-straintronics-valleytronics-graphene/）

最近，谷的概念已经扩展到人造微结构中的经典波体系（光波/声波），例如光子晶体（Photonic Crystals）中的电磁波和声子晶体（Phononic Crystals）中的声波/弹性波。并且，有工作已经证明了谷能带还具有奇异的拓扑传播现象，例如谷霍尔效应（valley Hall effect）和谷边界态传输（valley edge transport）。谷能带的拓扑性质起源于倒易空间中的局部非平庸（non-trivial）Berry曲率，其特征主要是通过谷Chern数来描述。研究表明，具有非平庸谷Chern数的经典波的谷霍尔相通常在对称性破缺的六角晶格（symmetry-broken hexagonal lattices）中实现，并且两个不等价的谷具有不同的谷特征。除了谷能态之外，谷投影边界态（valley projected edge states）出现在不同的谷霍尔相之间的界面处。由于不存在带间散射，边界态的传输行为不受到急剧弯曲的界面（或拓扑通道）和弱随机性的影响，具有拓扑保护的固有缺陷免疫特征。然而，由于弹性波体系的多模耦合复杂性和器件制备困难，实现与谷能带相关的片上弹性波传输，特别是在广泛商业化的单个硅芯片上，仍然具有极大的挑战性。

另一方面，最近有研究报道了在石墨烯通过拓扑通道交叉的谷边界态中，发现了反常的电流分流现象：边界态倾向于在最锐利的弯曲通道中传播，并且通过改变外加电场或弯曲角度，可以实现电流分配比的调制。该方法可以应用于光束分裂和干涉。然而，由于原子级制备工艺极具挑战性，在电子系统中实现谷能带电流分流的实验是很困难的。

创新研究

该工作提出了用于弹性波体系的片上谷拓扑材料的概念，其主要方法是采用硅基微加工技术（成熟的深硅刻蚀技术）制备微米级的谷拓扑器件（周期为500 μm），为1.2-1.3 MHz弹性波的谷拓扑模式提供芯片级的低损耗平台。在实验中，谷拓扑材料是图案化的三角柱阵列，其方向决定了晶体对称性和谷霍尔相的拓扑结构，谷霍尔相主要是以谷能态的旋转振动为特征。在谷拓扑材料沿着两个不同的谷霍尔相之间的界面处，研究人员利用非接触式的激光测振仪（laser vibrometer）观察到弹性波手性谷边界态的鲁棒（Robust）传输。更重要的是，在拓扑通道交叉点处，理论和实验都成功地实现了边界态的分流现象，并且可以通过调整拓扑通道的几何形状来任意地控制分配比率。这一发现表明，本文所研究的谷拓扑材料是实现这种反常分流现象的理想平台。

研究表明，弹性波的谷投影边界态状态存在于拓扑性质不同的谷霍尔相的界面上，表现出单向和抑制背向散射的特征，并且在大角度的弯曲界面上具备一定的抗反射免疫能力，这将在低损耗、高速声学通信器件中产生重要的应用。同时，他们成功地在实验上观察到了边界态的可控分流现象，这将有利于其在超声波器件上的应用，例如分束器和弹性波网络中的信号处理。进一步缩小结构基元的尺寸并采用叉指换能器，可以将工作频率提高到射频波段，甚至有可能实现热声子输运特性的调制。此外，片上谷模态具有可调节的旋转手性，这将为超声波电机的设计和腔光力系统中的声子/光子晶体设计提供了宝贵的研究思路。

图文速览

图一采用硅基微纳加工技术制备的声子晶体（PC）