基于光聲晶體微腔的片上聲學(xué)奇異點(diǎn)分析

近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東團(tuán)隊(duì)崔開宇副教授等利用光聲晶體微腔這一片上腔光力學(xué)體系構(gòu)建可調(diào)控的聲學(xué)非厄米系統(tǒng)，通過光場對兩個(gè)聲學(xué)模式之間的相互作用進(jìn)行調(diào)控，首次在片上系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了宇稱-時(shí)間反對稱（Anti-Parity-Time Symmetry）的聲學(xué)奇異點(diǎn)。該研究為聲學(xué)奇異點(diǎn)相關(guān)的非厄米以及非線性效應(yīng)、聲子拓?fù)涞然A(chǔ)研究提供了片上平臺(tái)，并有望在高靈敏物理量傳感、精密測量等應(yīng)用中突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。

組圖：基于拉鏈型光聲晶體微腔的片上聲學(xué)奇異點(diǎn)：A.等效物理模型 B.實(shí)驗(yàn)測試裝置示意圖 C.拉鏈型光聲晶體微腔電子掃描顯微鏡照片 D.聲學(xué)諧振頻率隨系統(tǒng)參數(shù)演化的拓?fù)涿?E.奇異點(diǎn)附近系統(tǒng)本征值的根號階次劈裂。

非厄米系統(tǒng)由于體系與外部環(huán)境存在耦合，在物理性質(zhì)上與厄米系統(tǒng)有著明顯差異，奇異點(diǎn)（Exceptional Points）正是非厄米系統(tǒng)中特有的一類簡并態(tài)。與奇異點(diǎn)體系相關(guān)的物理效應(yīng)及應(yīng)用，如非對稱模式轉(zhuǎn)換、基于奇異點(diǎn)附近根號階次模式劈裂的單模激光及其高靈敏度傳感特性等在國際學(xué)術(shù)界引起廣泛關(guān)注。

目前已報(bào)道奇異點(diǎn)的研究工作主要集中在單一的光學(xué)體系中，基于其他物理體系奇異點(diǎn)的相關(guān)現(xiàn)象和應(yīng)用仍有待進(jìn)一步探索。聲學(xué)模式易與多種物理量耦合，以此構(gòu)建的多物理場耦合系統(tǒng)將給奇異點(diǎn)的研究提供更高的自由度；同時(shí)聲學(xué)奇異點(diǎn)在超高靈敏度傳感的應(yīng)用方面具有更大優(yōu)勢。然而，高頻聲學(xué)模式難以調(diào)控，GHz聲學(xué)奇異點(diǎn)一直以來未能在芯片上實(shí)現(xiàn)。

該研究提出了利用拉鏈型光聲微腔構(gòu)造具有宇稱-時(shí)間反對稱的聲學(xué)哈密頓量來實(shí)現(xiàn)片上聲學(xué)奇異點(diǎn)，其中微腔中具備邊帶可分辨特性高品質(zhì)因子的光學(xué)模式，用于連接兩個(gè)獨(dú)立振動(dòng)的近簡并GHz聲學(xué)呼吸模式，從而構(gòu)造聲學(xué)模式之間的耗散耦合和相干耦合。

實(shí)驗(yàn)上通過改變輸入激光的波長和功率調(diào)控兩個(gè)聲學(xué)模式之間的耗散耦合和相干耦合以補(bǔ)償聲學(xué)模式之間的頻率差異，實(shí)現(xiàn)了在奇異點(diǎn)附近聲學(xué)本征值隨系統(tǒng)參數(shù)演化的拓?fù)涿鏈y量，并成功觀測到了奇異點(diǎn)附近的根號階次的模式劈裂特性。

利用這一特性可以突破已有聲學(xué)系統(tǒng)傳感的線性響應(yīng)，在物理量的高精度靈敏探測領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。此外，該工作還系統(tǒng)分析了聲子激射效應(yīng)對于奇異點(diǎn)觀測的影響，并在實(shí)驗(yàn)上觀測了奇異點(diǎn)附近的拓?fù)涿嫣卣鲗β曌蛹ど浜笙到y(tǒng)中光聲同步態(tài)的演化特性的調(diào)控。

近日，該成果以“基于拉鏈型光聲晶體微腔的片上聲學(xué)奇異點(diǎn)”（On-chip mechanical exceptional pointsbased on an optomechanical zipper cavity）為題發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。

審核編輯：劉清