近日，南京大学固体微结构物理全国重点实验室、现代工程与应用科学学院及材料科学与工程系余思远、陈延峰团队在固体声学与人工微结构器件方向取得重要进展。团队在铌酸锂（LiNbO₃）单晶薄膜上构建 Lamb波声子晶体，首次实现了工作于GHz频段、既可高效激励又可在片上布局集成的声学连续谱准束缚态（BICs）。基于声子晶体微结构，团队提出了一种薄膜 Lamb 模式对称性破缺机制的新型BIC：一方面，利用对称/反对称两类Lamb模式与声子晶体通带–禁带–缺陷态的协同设计，实现由对称性保护的声学BIC；另一方面，通过精确打破镜面对称性，将其转化为可由片上传输行波直接激发的准BIC，在保持强局域性和高品质因子的同时，可通过常规叉指换能器在片上实现高效激发与信号读出。这一机制的突出优势是可调控多个互不干扰、共振频率可设计的准BIC沿同一条声学延时线实现多频复用，为多频段滤波、多模态传感以及声–量子混合器件提供了新的机制和原型器件。
相关研究成果以 “Deployable Nanoelectromechanical Bound States in the Continuum in GHz Lamb Wave Phononic Crystals on LiNbO₃ Thin Films” 为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
1. 研究背景
连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BICs）是指在辐射连续谱中形成高度局域的模式，是波动物理中的一个重要现象，在光学、声学、微波、弹性波等经典和量子器件中被视为构建高性能谐振与耦合单元的理想平台。在集成声学系统中，尤其是基于声表面波和薄膜 Lamb 波的片上器件中，高品质BIC谐振腔有望实现更高的滤波选择性和更低的插入损耗，并为高灵敏度频率/相位型传感以及增强波–物质相互作用提供新原理。然而，对于声学芯片BIC的工程化受制于两大瓶颈：一方面，已有的 BIC系统强烈依赖结构的严格对称性和边界条件，微小的加工误差或材料非均匀性即可导致模式退化甚至消失，加工冗余性差；另一方面，既有构型往往难以与主流片上叉指换能器（IDTs）形成高效耦合，使这类BIC难以被行波激发和读出。因此，在保持强局域性和高品质因子的前提下，发展可以在片上被行波高效激发和便于集成的声学BIC，是当前集成声学器件亟待解决的重要问题。
图1. 利用Lamb波声子晶体构建BIC与准BIC的机制
创新研究
研究团队在长期开展声子晶体、固体声学器件和微结构物理研究的基础上，将连续域束缚态引入到薄膜Lamb波声子晶体，提出和实现了一种基于片上集成的声学BIC/准BIC新机制。利用铌酸锂（LiNbO₃）薄膜中彼此独立的对称（S）与反对称（A）Lamb模式，通过通带–禁带–缺陷态的协同设计，在厚度方向镜面对称的声子晶体中获得由结构对称性保护的声学BIC；在此基础上，进一步引入可控对称性破缺，仅在薄膜一侧刻蚀形成非对称槽型结构，诱导S–A模态发生弱耦合，将原本“与外界行波隔离”的严格BIC转化为可由片上传输行波直接激发的准BIC，从而在保持强局域性和高品质因子的同时，打通了与常规叉指换能器之间的“激发与读出通道”，为声学BIC的工程化利用提供了新的原理。
沿着这一思路，研究团队在厚度仅约700 nm的LiNbO₃单晶薄膜上单片集成了含缺陷的Lamb波声子晶体与悬浮声学传输线，通过GHz频段的电学S₂₁测量与激光多普勒振动测试，实验验证了准BIC的高品质共振与强空间局域特性。根据“通带可激发”的特性，进一步在同一条片上传输线上部署了多个几何参数不同、共振频率相互邻近而互不干扰的准BIC谐振单元，实现了准BIC的片上复用与空间重构，展示了该机制在多频段滤波、多模态传感以及增强波–物质相互作用等方向的应用潜力。
图2. 基于LiNbO₃薄膜Lamb波声子晶体的片上声学BIC器件及实验验证
图3. 在单条微声学传输线上复用多个准BICs
展望
本研究在GHz薄膜Lamb波声子晶体平台上实现了可激励、可部署、可复用的片上声学准BIC，将传统上偏重机理探索的BIC概念发展为可直接嵌入现有电声芯片的谐振单元，为集成声学材料与器件提供了新的机制和设计方法。基于可控对称性破缺构筑的准BIC同时具备强局域性、高品质、窄带共振以及与常规叉指换能器相互兼容的优势，使其适用于片上高选择性声学滤波、多通道复用、频率/相位型高灵敏传感以及增强波–物质相互作用等。结合声子晶体与MEMS/NEMS工艺，这一机制有望进一步扩展至更高频段和更大规模的集成声子芯片，为发展新一代高性能射频前端器件、片上声–量子混合系统及多物理场耦合平台提供了新的思路。南京大学博士研究生梁胜男和秦祯辉为论文共同第一作者，余思远教授和陈延峰教授为通讯作者，研究成员还包括武树茂博士和博士研究生陈华洋。研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t9fk-pb3w
