片上系统中的“宇称-时间反对称声学奇异点”

01 导读

近日，清华大学电子工程系黄翊东团队的崔开宇等人利用拉链型光声晶体微腔构建片上可调控的声学非厄米系统，通过光场对两个声学模式之间的相互作用进行调控，首次在片上系统中实现了“宇称—时间反对称 (Anti-Parity-Time Symmetry)的声学奇异点”。

相关成果以“On-chip mechanical exceptional points based on an optomechanical zipper cavity”为题发表在Science Advances上。

02 研究背景

非厄米系统由于体系与外部环境存在耦合，在物理性质上与厄米系统有着明显差异，奇异点（Exceptional Points）正是非厄米系统中特有的一类简并态。与奇异点体系相关的物理效应及应用，如非对称模式转换、基于奇异点附近根号阶次模式劈裂的单模激光及其高灵敏度传感特性等在国际学术界引起广泛关注。

目前已报道奇异点的研究工作主要集中在单一的光学体系中，基于其他物理体系奇异点的相关现象和应用仍有待进一步探索。声学模式易与多种物理量耦合，以此构建的多物理场耦合系统将给奇异点的研究提供更高的自由度；同时声学奇异点在超高灵敏度传感的应用方面具有很大潜力。然而，高频声学模式难以调控，GHz频率的声学奇异点一直以来未能在芯片上实现。

03 研究创新点

该团队提出利用拉链型光声晶体微腔构造具有宇称-时间反对称的声学哈密顿量、来实现片上声学奇异点。实验上实现了在奇异点附近声学本征值随系统参数演化的拓扑面测量，并成功观测到奇异点附近的根号阶次的模式劈裂特性。

利用这一特性可以突破已有声学系统传感的线性响应，在物理量的高精度灵敏探测领域有着重要应用前景。此外，本工作还系统分析了声子激射效应对于奇异点观测的影响，并在实验上观测了奇异点附近的拓扑面特征、对声子激射后系统中光声同步态的演化特性的调控。

图1 片上声学奇异点芯片（A）等效物理模型；（B）实验测试装置示意；（C）拉链型光声晶体微腔扫描电子显微镜照片

图1展示了基于拉链型光声晶体微腔的片上声学奇异点芯片结构。其中，两个纳米梁中存在独立振动的近简并GHz声学呼吸模式,该光声晶体微腔中具备边带可分辨特性高品质因子的光学模式作为连接两个声学模式的中间媒介，用于构造声学模式之间的耗散耦合和相干耦合。

图2 声学奇异点的实验测试结果（A）声学谐振频率随系统参数演化的拓扑面；（B）奇异点附近系统本征值的根号阶次劈裂

对于该奇异点芯片的实验测试结果如图2所示，实验上通过改变输入激光的失谐和微腔中的光子数、来调控两个声学模式之间的耗散耦合和相干耦合以补偿声学模式之间的频率差异，进而到达奇异点。该工作通过对泵浦-探测实验中获取的声学谱数据进行分析得到系统的本征值。当调控系统参数离开奇异点时，系统本征值表现出了根号阶次的模式劈裂特性。

图3 声子激射区域声学谱随激光波长的演化特性（A）模式跳变；（B）连续演化

进一步地，该团队使用蓝失谐光场给声学模式提供的增益最终将导致声子激射现象的出现，系统将进入光声同步态。由于奇异点附近声学本征值随系统参数演化的独特的拓扑面特性，取决于奇异点和激射区域的相对位置，光声同步态可以从拓扑面的上表面连续演化或者跳变至下表面。图3展示了光声同步态所对应的声学谱随泵浦激光波长的演化的两种情况。

04 总结与展望

该研究工作提出并实现了基于拉链型光声晶体微腔的片上声学奇异点，为与声学奇异点相关的非厄米以及非线性效应、声子拓扑等基础研究提供了片上平台，并有望在高灵敏物理量传感、精密测量等应用中突破现有技术的瓶颈。
清华大学电子工程系崔开宇副教授和2018级博士生吴宁为文章共同第一作者，黄翊东教授和崔开宇副教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。