导读
美国哈佛大学工程与应用科学学院Marko Lončar教授团队与圣路易斯华盛顿大学杨兰教授团队合作，在基于铌酸锂的集成声学平台上，实现了微波频段超声的非互易传输。所展示的基于声表面波的宇称时间对称系统推动了集成声学信号处理、全声子集成电路和非厄米物理的研究。相关研究工作近期以“Non-reciprocal transmission of microwave acoustic waves in nonlinear parity–time symmetric resonators”为题，发表于《Nature Electronics》 (DOI: 10.1038/s41928-020-0414-z)。
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集成微波芯片及集成超导量子电路通常以微波作为信息载体。虽然微波器件具有良好的可操控性，但其厘米级的波长也导致了较高的能量耗散和器件间的串扰，阻碍了高集成度和高品质因子片上系统的设计和制备。同时，微波频段的声波波长仅为微米量级，相比同频段的电磁波小5-6个数量级。因此微波超声可以被更好的局域，有望解决集成微波器件间的串扰问题。最近，微波超声器件与超导电路、光学微腔、量子点、金刚石色心等系统的结合，推动了以声子为总线的片上集成系统的发展。然而，针对微波超声的调控器件，如隔离器、环路器、分路器等的发展却远远落后于同类电子器件。
目前，利用循环流体或光机械耦合等方法实现的声学隔离器、环路器局限于兆赫兹(MHz)及以下的声波频率，且难以进行系统化集成。宇称-时间(Parity-time, PT)对称系统具有丰富的非厄米物理性质，在光学体系中实现了光子的非互易传输、高灵敏度光学传感，以及基于电磁波的高效能量传输。研究团队创新地在铌酸锂微波超声器件平台上，成功构建了声表面波的非线性PT对称系统，实现了微波超声的非互易传输，其非互易传输比超过10dB。此外，研究团队将多个声表面波PT对称系统级联，实现了微波超声的环路传输。
实验中，研究团队利用铌酸锂的低声学耗散和强压电效应特性，加工制备了高品质因子声表面波耦合谐振腔，并通过插指换能器(interdigital transducer, IDT)与外部增益（损耗）电路连接，实现了对声表面波增益（损耗）的实时调谐。实现的声学增益可以完全补偿谐振腔的本征损耗，并观测到声表面波的自激振荡（图2c）。同时，文章证实了对于不同传输方向的非对称增益是实现非互易PT系统的基本要素。
图1 基于声表面波 PT对称系统的非互易传输. a, 系统原理图; b, 器件照片; c, PT对称性破缺相和非破缺相的传输谱; d,e 对称性破缺条件下正向(d)和反向(e)输入的弹性位移场.
图2 声表面波和声学增益. a, 声表面波微谐振腔显微照片，声学增益由外部电路通过插指换能器（IDT）提供; b, 提供增益的负电阻电路图; c, 声表面波的自激振荡; d,e, 声表面波的非线性增益.
图3 声表面波非线性PT对称系统传输谱的实验观测. a, 对称性破缺条件下的非互易传输; b,对称性非破缺条件下的互易传输谱
图4 声表面波的单向环路传输. a,b, 声表面波环路器件的装置原理图; c,d, 实验测量的环路传输谱.
该工作实现了微波超声的非线性PT对称系统，开拓了声学隔离和环路器件设计的新思路，为声学非厄米物理提供了全新的研究平台。
邵林博博士和Marko Lončar教授为论文的共同通讯作者。第二作者毛文博受南开大学资助，在本科阶段访问哈佛大学期间完成了相关理论工作，目前在圣路易斯华盛顿大学攻读博士学位。
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https://www.nature.com/articles/s41928-020-0414-z
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