撰稿人：Hector
在光学方面，具有纳米尺度几何结构的光子晶体（photonic crystals）已成为改变块状材料电磁特性的有效方法，并导致超材料能够以前所未有的方式操控光。在一些情况下会出现光子带隙，其中光被禁止传播，从而显著改变这种材料内部的光发射。
而随着声学领域技术的不断革新，同样产生了各种各样关于声子晶体（phononic crystals）的应用，如：控制热流的热晶体，用于声波无散射传输的声子拓扑绝缘体等......
艺术插图/来源：长春光机所，Light学术出版中心,，新媒体工作组
在精密计量（计时和测力）领域，机械谐振腔中的能量衰减时间对其计量性能起着决定性的作用，近日，美国加州理工学院的Oskar Painter等研究人员在机械谐振腔中融合了声子晶体的技术。报道了一种具有超长声子寿命的“纳米声谐振腔”（Nano-acoustic resonator）。
补充：Oskar Painter教授自2019年起担任亚马逊云计算平台（AWS）最新组建的量子计算中心的负责人。
研究人员利用声子晶体实现“屏障”（acoustic shielding）作用，进而减少了机械谐振腔中的能量衰减时间。
实验测得：声子寿命超过1.5秒，谐振腔的品质因子达到了5×10¹⁰。
该成果以“Nano-acoustic resonator with ultralong phonon lifetime”为题发表在Science。
这种声谐振腔基于一种光机械晶体（OMC）纳米束谐振器，其原理是典型的光机械谐振腔，整个结构的示意图如图1，耦合波导（coupling waveguide）和谐振器本身都具有大小形状不一的圆孔，其对光传输的作用类似于反射镜，这样波导上下两侧的纳米束谐振器可以近似理解为简单的FP谐振腔。
同时，光学谐振腔内的光辐射力等效应使材料出现了机械的呼吸模式（breathing mode），呼吸模式反过来对光学模式的谐振产生频移，这种机械模式和光学模型相互作用，就形成了所需的光机械谐振器。中央耦合波导允许外部光纤到芯片的光耦合以及支持波导-两个纳米束OMC腔的侧面耦合。OMC腔的机械呼吸模式产生的材料形变和光学模式的谐振效应的有限元仿真结果验证了两个谐振出现在相同区域，即光机械耦合。
但通常的机械（声学）谐振都具有较大的损耗，为了最大程度地减少机械夹紧损失（clamping loss），研究人员在通常的悬臂式基础上进一步设计了悬臂的结构，引入了声子晶体结构来实现声学上的一种“屏障“。
数值模型表明，屏蔽损耗必须经过精心设计，以提供针对纳米级无序的保护，这种干扰是在器件制造过程中固有地引入的。
图2展示了这种声子晶体屏障的结构和其单位组成结构、屏蔽单元的模拟声带结构。为了实现更好的保护作用，将声带隙增加到3 GHz带宽，并且准确地将纳米束的声呼吸模式与屏蔽间隙的中心对齐。
进一步，研究人员在实验中使用振铃方法（ringdown measurement）测量了这种具有声学屏障的OMC谐振器的能量阻尼和品质因数，对系统作用一小段时间的激励，然后允许系统自由衰减，在衰减末尾再次对系统进行测量，得到能量阻尼和品质因数的相应值。如图3所示，单脉冲激光同时执行了对系统呼吸模式的激励和读出。
在具有不同周期的屏蔽结构的上执行一系列振铃测量，并拟合指数衰减曲线，研究人员发现声学品质因子先随着周期增长而指数增长，随后趋于饱和。
这里的最大声学品质因子超过了10¹⁰，相比于先前未优化的结构，实现了超过三个数量级的提升。在大声子振幅下振铃测量的声子数衰减过程，得到声子寿命为1.47s。
这些经过声学工程处理的纳米级结构为了解量子噪声的起源提供了一种平台，并可能应用在测试各种量子力学塌陷模型和混合超导量子电路中的微型量子存储元件。同时，纳米制造和腔体光力学的先进方法为探索固态材料中的量子声电学提供了一个新的工具包，例如减轻超导中的去相干性（噪声）和色心的方法和量子比特等。
这种极小“有效质量”和极窄“线宽”的OMC腔非常适合精密质量测量和探索替代量子塌陷模型的极限。量子声学设备的小规模，减少的串扰和超长的相干时间则可以显着改善当前量子硬件的连接性和性能。
文章信息
Science 13 Nov 2020: Vol. 370, Issue 6518, pp. 840-843.
论文地址
https://doi.org/10.1126/science.abc7312
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