拓扑绝缘体最早是在凝聚态物理中发现，用来描述电子的特殊传输性质——内部绝缘，边界导电且抗散射。而最近，很多物理学家们将这个概念拓展至光子和声子等系统。通过人工设计的晶格结构，人们可以模拟“自旋霍尔效应”，让这些波沿着边界“拓扑保护”传播，不容易被杂质散射回去（backscattering）。

然而，拓扑效果虽然可以防止散射，但并不能防止能量损耗（衰减）。与电子不同，声音极易在弯折处泄漏能量。过去研究中的芯片级声子波导（不论是否拓扑）损耗都比较大，大概是每厘米几 dB，非常不理想。

图丨从左至右依次为：Albert Schliesser、Ilia Chernobrovkin、Eric Langman和习翔（习翔）

这种局面不久前被打破。在一篇发表于 Nature 的研究中，丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所（Niels Bohr Institute）习翔助理教授和阿尔伯特施利塞尔（Albert Schliesser）教授团队，联合瑞士苏黎世联邦理工学院和德国康斯坦茨大学，共同展示了一种芯片级声子波导，其损耗仅为每公里 3 dB，而且在室温下运作。这意味着，声子的传播距离，相比之前的芯片器件是几个数量级的改进。

在这款芯片中，声子以 99.99% 的概率通过弯角而不发生反向散射，且每百万个声子中损失不足一个。相关论文以《用于声子的软约束拓扑波导》（A soft-clamped topological waveguide for Phonons）为题发表在 Nature 上 [1]。

图｜相关论文（Nature）

声子（Phonon）是固体或液体中声音的量子激发态。与光子或电子相比，声子传播速度更慢、更容易在材料中被强限制，同频率下尺寸更小，并且天然免疫于电磁辐射。这些特性让芯片级声子电路成为可能，用于在更紧凑、高效且具鲁棒性的体系中，引导、存储和处理经典或量子信息。

在特定人工晶格结构中，声波传播可展现拓扑性质，并具备减少反向散射的潜力。先前实验已经给出了拓扑保护传输的部分实证，但关于反向散射概率的定量测量仍然稀缺。此外，拓扑保护并不必然意味着低损耗。该研究首次解决了这两个问题。

图｜沿两个拓扑结构不同的区域界面引导的面外振动模式的渲染图（Nature)

本研究首次将两种物理机制融合。其一是“谷-霍尔（Valley-Hall）拓扑效应”：研究者在一层 20 纳米厚的氮化硅（SiN）膜上刻蚀出蜂窝状微孔。通过旋转三角形孔的方向，构造出两种相反“谷态”（valley edge mode）的声子晶格。两者之间的界面就像一条高速路，每个方向上仅允许带特定谷自旋的振动能量沿其边缘流动，并天然抑制反散射。

其二是该研究突破的秘诀，研究团队借助了近期纳米机械共振系统在耗散稀释方面的创新——的“软夹持”（Soft Clamping）：与传统机械结构将薄膜死死固定不同，这种设计允许振动模式平滑衰减到材料内部，使能量主要储存在“拉伸”而非“弯曲”中，大幅降低损耗。

图｜谷霍尔效应拓扑绝缘体（Nature）

图｜拓扑声子波导围绕成三角形路径的显微镜图像。（ Nature）

为了测试能量损耗，研究团队将波导“折”成一圈三角形路径，每条边仅 15–19 个晶格单元长，三角形的三个顶点处由 120° 弯角连接各边。实验显示，波导中声子的传播损耗低至 3dB/km。相较之下，以往芯片声子波导的损耗通常在 10⁵dB/km 量级。值得注意的是，这一损耗水平已与超导微波波导相当，并逐渐逼近光纤。

同时研究团队也开展了高分辨率超声谱测量，以精确量化反向散射效果。结果表明，三角形的弯折是反向散射的主要来源，但平均概率仅为 1.1×10⁻⁴，即约 99.99% 的声子能量能够顺利绕过每一个弯角并不发生反向散射，且每百万个声子中损失不足一个。

（资料图）

谈及技术的未来发展，习翔对 DeepTech 表示，这项成果不应仅仅是面向某个具体未来应用——尽管它蕴含着丰富的潜力。例如，这种超低损耗的声子传输，可以用来构建精度媲美光学的声子干涉仪，并且因为声子本身带有质量，这种干涉仪将可以用在各种前沿物理的探索中。

他们目前最感兴趣的，是进一步探索这一方法的潜能。“现在，我们希望在实验中进一步探索这种方法，看看它还能实现什么。例如，我们想构建更加复杂的结构，观察如何让声子在其中穿行，或者设计让声子像汽车在十字路口相撞的结构。这样我们能更好地理解其极限能力以及可能产生的新应用。”他说道，“基础研究，就是为了创造新的知识。”