[论文解读] A Monolithic Topologically Protected Phononic Circuit

Si‐Yuan Yu, Cheng He+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 6

一句话总结

该论文首次展示了基于穿孔光子晶体板的单片式、拓扑保护声子电路，通过工程化自旋-轨道耦合与非平凡拓扑不变量，实现了鲁棒、低损耗的弹性波传输。该系统表现出对无序免疫的边缘态，实现了近乎无传播损耗的高保真波导传输，为片上声子器件的芯片级集成提供了可能。

ABSTRACT

Precise control of elastic waves in modes and coherences is of great use in reinforcing nowadays elastic energy harvesting/storage, nondestructive testing, wave-mater interaction, high sensitivity sensing and information processing, etc. All these implementations are expected to have elastic transmission with lower transmission losses and higher degree of freedom in transmission path. Inspired by topological states of quantum matters, especially quantum spin Hall effects (QSHEs) providing passive solutions of unique disorder-immune surface states protected by underlying nontrivial topological invariants of the bulk, thus solving severe performance trade-offs in experimentally realizable topologically ordered states. Here, we demonstrate experimentally the first elastic analogue of QSHE, by a concise phononic crystal plate with only perforated holes. Strong elastic spin-orbit coupling is realized accompanied by the first topologically-protected phononic circuits with both robustness and negligible propagation loss overcoming many circuit- and system-level performance limits induced by scattering. This elegant approach in a monolithic substrate opens up the possibility of realizing topological materials for phonons in both static and time-dependent regimes, can be immediately applied to multifarious chip-scale devices with both topological protection and massive integration, such as on-chip elastic wave-guiding, elastic splitter, elastic resonator with high quality factor, and even (pseudo-)spin filter.

研究动机与目标

• 在单片声子结构中实现拓扑保护的弹性波传输。
• 克服传统声子电路中由散射引起的损耗及性能权衡问题。
• 在无需外部磁场或复杂异质结构的条件下，实现鲁棒、低损耗的波导传输。
• 实现具有高功能性和高品质因数的拓扑声子器件的芯片级集成。

提出的方法

• 设计具有周期性穿孔的二维声子晶体板，以诱导强弹性自旋-轨道耦合。
• 调控能带结构，实现具有体态拓扑不变量的非平凡拓扑相。
• 采用单片基底以消除界面散射，提升系统鲁棒性。
• 设计波导结构，利用拓扑保护的边缘态实现单向传输。
• 通过测量透射谱及对缺陷的鲁棒性，实验验证拓扑保护特性。
• 展示系统在复杂路径中实现弹性波的极低损耗、高保真度引导能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 单片声子晶体板是否能在无外部磁场或复杂异质结构的条件下，支持弹性波的拓扑保护边缘态？
• RQ2 在穿孔板中，工程化自旋-轨道耦合如何导致拓扑能隙及鲁棒边缘态？
• RQ3 在实际波导配置中，该系统在保持低传播损耗和对无序免疫方面能达到何种程度？
• RQ4 该平台是否能支持高品质因数谐振器及具有拓扑保护的片上声子元件？
• RQ5 在结构缺陷条件下，该系统的透射保真度和鲁棒性表现如何？

主要发现

• 单片声子晶体板表现出拓扑保护的边缘态，实现了鲁棒、低损耗的弹性波传输。
• 即使存在结构缺陷，拓扑波导中的传输损耗也几乎可以忽略。
• 系统对无序具有免疫能力，即使存在故意引入的缺陷，传输性能仍保持较高水平。
• 由于体态能带结构的非平凡拓扑不变量，边缘态具有单向性和鲁棒性。
• 该平台支持多功能片上器件，如弹性波导、分束器和高Q值谐振器。
• 由于无需外部磁场且采用单片设计，可直接集成于芯片级声子电路中。