撰稿|张子栋
近日，南京大学陈延峰教授、卢明辉教授团队与徐海谭教授合作，基于单晶铌酸锂集成电声系统，实现了工作频率位于GHz以上的拓扑声表面波谐振腔的强耦合，其具有大的拉比(Rabi)劈裂和高品质因数。同时，基于多个谐振腔的强耦合，展示了一款声表面波的密集波分复用器。该研究成果以“Monolithic Strong Coupling of Topological Surface Acoustic Wave Resonators on Lithium Niobate”为题发表在《Advanced Materials》期刊。论文第一作者为南京大学张子栋副研究员，通讯作者为南京大学陈延峰教授、卢明辉教授和徐海谭教授，南京大学余思远副教授参与了相关研究。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科研基金等相关项目的支持。
机械谐振腔之间的强耦合能够在复杂的微纳结构中增强谐振频率劈裂和模式混合，可以实现谐振腔之间的相干声子传输。具有长寿命声子模式的机械谐振腔已被广泛用于量子信息处理的研究，例如量子声学和谐振腔之间的量子纠缠。为了探索机械谐振腔的强耦合在量子信息处理中的可能应用，需要将其工作频率提高到GHz以上，这是因为更高的频率允许使用标准制冷技术，使机械谐振腔进入基态。
尽管研究人员在不同的体系中对机械腔的强耦合进行了研究，例如微纳悬臂梁、声子晶体构建的悬浮声子腔、共衬底纳米柱谐振腔和光机械腔，但这些谐振腔之间强耦合研究的工作频率都在KHz~MHz之间。这些耦合体系目前还无法实现更高工作频率的机械谐振腔强耦合，而且为了实现更高频率可能需要更先进更复杂的测试设备、以及更先进的加工技术，并且这些器件的制造复杂性会引入更多的制备缺陷，这将引起器件工作频率的失谐。
图1. (a) 通过互连两个具有不同拓扑属性的声子晶体（图中标记为声子晶体1-PnC1和声子晶体2-PnC2）构建的一维拓扑声表面波谐振腔的示意图 (b)自由铌酸锂表面的声表面波色散曲线，其中波传播方向沿铌酸锂的128度Y切X传方向 (c, d) PnC1和PnC2 的色散曲线。
图2. (a) 一维拓扑声表面波谐振腔的器件扫描电子显微镜(SEM)图，下半部分为放大的单向叉指换能器、界面放大图、和蚀刻凹槽的横截面图 (b)通过原子力显微镜获取的谐振腔的表面轮廓 (c)铌酸锂上的自由表面、一维声子晶体和一维拓扑谐振腔的透射谱 (d) 频率为1.0574 GHz谐振峰 (Q≈6400) 的放大图 (e) 拓扑界面态的Q值和传输耦合强度与声子晶体周期数的关系。
图3. (a)具有两个声表面波拓扑界面态的声子晶体异质结示意图 (b)耦合拓扑声表面波谐振腔的透射谱色散曲线 (c)图(b)中P1、P2和P3点拓扑界面态的能量场分布。
图4. (a)制备的声子晶体异质结器件的SEM图，下半部分为异质区域的放大图 (b)自由表面、单个拓扑界面态谐振腔和耦合拓扑声表面波谐振腔的透射谱 (c) 耦合拓扑界面态的Q值与声子晶体周期数的关系 (d)随着插入层厚度的变化，实验测量的耦合谐振腔的色散曲线 (e)PnC2的晶胞数量N对两个拓扑界面态的谐振频率和频率分裂的影响 (f)PnC2晶胞数量N对能量场增强的影响。
图5. (a)具有十个耦合拓扑界面态的器件SEM图 (b)所制备器件的传输谱。
通过两个声表面波拓扑界面态的强耦合，研究人员实现了高达22MHz的拉比劈裂和高达1.2×10^13Hz的频率品质因数乘积。该拓扑界面态的强耦合可以通过几何参数来调节，基于此，实验可以观察到传输谱的反交叉特征—强耦合的典型特征。此外，研究人员还展示了一种基于多个拓扑界面态耦合的新型密集波分复用器件。这些发现可以架起拓扑声学和微波声学的桥梁，促进拓扑声学在射频通信、传感和通用量子互连等不同领域的实际应用。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202312861
