南京大学团队首次实现声表面波类石墨烯微结构材料
2017-08-29 07:11:11   来源：微迷   评论：0   点击：

在现代信息通讯技术迅速发展的今天，提高对各种波（如电子波、电磁波、声波等）及粒子（电子、光子、声子等）的可控传输，是推进整个产业不断发展和进步的主要动力。在一些具有强散射特性的介质中，波动及粒子根据散射体本身及所含杂质的不同，表现出了很多传输形式，例如局域（localization）、隧穿（tunnelling）、弹道（ballistic）及扩散型（diffusive）传输等等。近十年以来，伴随着石墨烯材料以及过渡金属二维材料的出现，材料学家及物理学家们提出了一种全新的材料设计方案：基于相对论原理设计电子的能带结构，使其形成“零有效质量”的狄拉克-费米子，并以此实现具有极低损耗、极高迁移能力的电子传输。

近日，南京大学的卢明辉（Ming-Hui Lu）教授、刘晓平（Xiao-Ping Liu）教授及陈延峰（Yan-Feng Chen）教授课题组首次提出并实现了一种单片集成于压电铌酸锂（LiNbO3）基底的新型人工微结构材料——声表面波类石墨烯微结构材料。相关成果发表于Nature Materials杂志，余思远（Si-Yuan Yu）博士及博士研究生孙晓晨（Xiao-Chen Sun）为该论文的共同第一作者。（Surface Phononic Graphene.Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4743）。

图-1 （a）声表面波体系人工声学二维材料——表面声波类石墨烯微结构材料的示意图。（b）电子显微镜照片：在压电材料铌酸锂（LiNbO3）基底表面，采用电化学生长的微结构蜂窝状镍（Ni）柱阵列。

文章涉及一些物理概念和基础研究，学化学的小编在整理这篇文献、查阅资料过程中，又涨姿势啦：

1）根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋（如1/2，3/2等），满足费米-狄拉克描述；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋（如0，1，2等），满足玻色-爱因斯坦统计。

2）石墨烯存在奇异的狄拉克锥电子结构，其中的电子的运动速度接近光速。因为其能带在E=0的六个点上连续，这些点亦称为狄拉克点（Dirac Point）。

3）声子，即声量子，用来描述晶格的简谐振动。声子并不是一个真正的粒子，它是仿照光量子的定义而来的，是声波的量子化。

4）Zitterbewegung（ZB）是德语，意思为“颤动”，是一种描述基本粒子的振荡运动，最早由薛定谔提出，他发现在自由空间运动的相对电子，它的速度算符与描述自由空间运动的相对论电子的哈密顿算符不对易，这将导致电子来回运动，尽管在没有外场的情况下。

再来看这篇文献，研究者在压电材料（LiNbO3）基底表面，采用电化学生长的方式制备出具有类似石墨烯的蜂窝状金属微锥阵列。理论上，每一个金属微锥可以视为一个独立的声学振子，它们彼此间又通过弹性体基底发生近邻耦合，从而得以形成基底表面的晶格振动模式，即表面声子，实现了满足狄拉克方程描述的“狄拉克表面声子”。声表面波在传输过程中会呈现“扩散”的情形，同时可以观察到了其ZB效应：当具有一定频率带宽的声表面波在人工声学类石墨烯材料中进行一定距离的“扩散”传输后，脉冲波包显现出非常明显的“指数型衰减振荡”。

图-2 （a）在蜂窝晶格的布里渊区顶点位置，表面声子发生能量简并，并具有满足狄拉克方程描述的线性色散关系。（b）在71.8兆赫兹的狄拉克频率，材料中的声表面波显现出类似在完全无序介质中的“扩散”情形（红色）；这一情形随着狄拉克频率的远离而逐渐消失（黑色）

表面声波的时域透射信号

a为偏离狄拉克频率（66.5MHz）的表面声波的时域透射信号。

b-d是在狄拉克频率为71.8MHz处表面声波的时域透射信号。

e是入射高斯脉冲带宽与共振频率的关系图。当表面声波的激发频率处于狄拉克锥的线性扩散区域中时，共振频率随带宽线性增加，实验误差主要来源于时域测量中的电子约翰逊噪声导致的信号波动。

f是表面声波平均传输速率的理论时域和实验测得的带状样品的表面声波脉冲能量通量的变化率。图中蓝色曲线为理论值，红色曲线为实验值。

图-3 （a）偏离狄拉克频率的声表面波高斯脉冲的时域透射信号。 （b）（c）（d）狄拉克频率（71.8MHz）处声表面波高斯脉冲的时域透射信号，声表面波脉冲波包显示为明显的指数衰减振荡

人工声学二维材料不同于电子体系的二维材料，是一种可用于研究狄拉克相对论量子力学及其应用的新的实验平台，具有超高信噪比及相位分辨能力、超低传输损耗、超强抗干扰能力等特点，为凝聚态物理学及相关材料学的研究提供了一个新的实验方法。

延伸阅读：

《声波传感器市场-2017版》