近日，我院陈刚教授团队在片上弹性波调控方面取得了重要进展，相关成果以“On-chip elastic wave manipulations based on synthetic dimension”为题发表在物理学权威期刊《Physical Review Letters》上。访问博士崔振兴为论文第一作者，我院青年教师严谋和陈刚教授为共同通讯作者。郑州大学物理学院为第一单位。

基于可集成平台操纵弹性波在射频通信、微流体、传感、超导电路和量子信息等多个领域具有重要意义和价值。最近，拓扑声子晶体的出现更是为操控弹性波开辟了新途径，其非平庸的拓扑特性确保了弹性边缘态或界面态的存在，并且具有不受缺陷影响的鲁棒传输能力。例如，在二维氮化铝薄膜中设计拓扑纳米机电超材料实现单向波导和紧凑的延迟线，用于高频信号的处理。在半无限铌酸锂基底上制造声子晶体，建立具有高质量因子的强耦合机械谐振器，并实现可扩展的拓扑谷锁定声表面波操控。然而，片上弹性波的操控目前仅限于低维系统，当上升到三维系统后，样品制作和实验测量面临着巨大的挑战。

合成维度可以突破几何维度的限制，为探索高维空间的物理提供一种手段。该工作利用系统结构参数，构造（2+1）维片上弹性波外尔系统，在合成外尔系统中观测到了手性朗道能级和新奇的体传输现象。图1(a)给出了片上声子晶体超胞结构。在该结构中，通过控制Y型柱的转动角度来实现外尔点沿着合成维度的方向移动，进而产生一个平面内的赝磁场，诱导出手性朗道能级，如图1(b)所示。实验上，利用微加工技术在SOI晶圆上制备了如图1(c)左侧所示的样品，通过激光测振的方法观测到第零朗道能级的位移场分布，并得到了如图1(d)所示的色散关系。最后，利用合成参数构造了如图1(e)所示的异质结构，实现灵活的波束操控，得益于零阶朗道能级具有手性特征，使得异质结构界面处散射很弱。这项研究不仅实现了片上弹性波的多维度操作，而且为声波导的设计提供了一种新的策略。

图1：（a）梯度变化的超胞结构示意图。（b）沿ky方向的投影能带结构。（c）声子晶体样品照片（左图），插图为扫描电子显微镜图像，比例尺为500微米；中间是测量的第零手性朗道能级位移场分布，沿x方向的黄色虚线上对应的场分布如右图所示。（d）实验测量沿ky方向的色散。（e）左侧：异质结构照片,中间和右侧分别表示实验和模拟的位移场分布。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及河南省自然科学基金的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.256602