中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)鄒長(zhǎng)鈴教授與清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖教授、賓夕法尼亞州立大學(xué)Mourad Oudich和Yun Jing教授等開(kāi)展合作研究，在拓?fù)渎曌訉W(xué)與集成聲子電路（Phononic Integrated Circuits, PnICs）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次在非懸空、片上大規(guī)?？赏卣沟奈⒚壮叨炔▽?dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了1.5 GHz頻率的拓?fù)渎曌舆吘墤B(tài)與魯棒Thouless泵浦，并研制出具備電調(diào)功能的拓?fù)渎曌玉R赫-曾德?tīng)柛缮鎯x聲學(xué)開(kāi)關(guān)和調(diào)制器。這一重要研究成果以《Gigahertz topological phononic circuits based on micrometer-scale unsuspended waveguide arrays》為題，于8月25日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·電子》（Nature Electronics）發(fā)表。

聲子集成線路作為繼電子、光子之后的新一代片上信息傳播載體，在經(jīng)典和量子信息處理中具有巨大的應(yīng)用潛力，涵蓋微波信號(hào)處理、精密傳感和量子頻率轉(zhuǎn)換等多個(gè)方向。然而，傳統(tǒng)聲子器件面臨諸多技術(shù)瓶頸：工作頻率低、依賴于懸空結(jié)構(gòu)、缺乏有效的動(dòng)態(tài)調(diào)控手段，且對(duì)制造缺陷的容錯(cuò)能力不足，嚴(yán)重制約了其發(fā)展。

圖1.GHz頻段的非懸空可重構(gòu)拓?fù)渎曌有酒疽鈭D

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用藍(lán)寶石基底和氮化鎵芯片材料的高聲學(xué)折射率對(duì)比度，設(shè)計(jì)了微米尺度的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功將聲波有效限制在芯片表面(圖1b)。這項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了工作頻率達(dá)1.5 GHz的可重構(gòu)、非懸空、集成式拓?fù)渎曌硬▽?dǎo)陣列（圖1a）。該芯片巧妙利用相鄰波導(dǎo)間倏逝場(chǎng)耦合，構(gòu)建了等效“一維非對(duì)角Aubry-André-Harper模型”的拓?fù)渎曌泳Ц瘛Ｍㄟ^(guò)自主搭建的高靈敏度（30fm/Hz）振動(dòng)探測(cè)儀，成功觀測(cè)到了拓?fù)渎晫W(xué)邊界態(tài)、Thouless泵浦效應(yīng)，并驗(yàn)證了其對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的魯棒性。此外，團(tuán)隊(duì)基于自主開(kāi)發(fā)的聲學(xué)模式展開(kāi)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)厘米級(jí)長(zhǎng)度的多波導(dǎo)復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)中聲波傳輸?shù)母呔?、高效率的?shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

圖2.基于聲學(xué)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的可重構(gòu)拓?fù)渎曌泳€路

基于拓?fù)浔闷纸Y(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋂分束器和可重構(gòu)拓?fù)渎曌泳€路（圖2）。利用熱聲效應(yīng)原理，僅需25V電壓即可在干涉儀兩臂間引入π相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)渎曌觽鬏斅窂降目焖匐娍厍袚Q。通過(guò)施加高速射頻信號(hào)，器件還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的強(qiáng)度調(diào)制，3 dB調(diào)制帶寬達(dá)650 Hz。為未來(lái)開(kāi)發(fā)基于規(guī)?；?fù)渎曌泳€路的信息處理應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

這項(xiàng)工作為解決大規(guī)模集成聲子電路在高頻、可重構(gòu)、魯棒性等方面的核心技術(shù)難題提供了創(chuàng)新解決方案，充分展示了拓?fù)渎曌訉W(xué)在微波聲學(xué)芯片領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。該技術(shù)平臺(tái)具有與光子學(xué)器件和超導(dǎo)量子器件集成的天然優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)經(jīng)典與量子信息處理提供了全新的混合集成技術(shù)路徑，有望推動(dòng)聲子芯片在5G/6G射頻前端、微波光子雷達(dá)、量子接口等戰(zhàn)略性領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院徐新標(biāo)特任副研究員、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)Mourad Oudich助理教授和曾遇博士研究生為論文的共同第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京國(guó)家凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的大力支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41928-025-01437-8

（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：https://news.ustc.edu.cn/info/1055/92533.htm

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