一种原子尺度声子超格栅及设计方法

技术领域

本发明涉及微纳结构领域，尤其是涉及一种原子尺度声子超格栅及设计方法。

背景技术

声子作为半导体或绝缘体中热量输运的主要载体，其同时具有波动性和粒子性。通常情况下，声子的粒子散射行为是影响材料热导率的主要机制，可以通过增加或者减弱声子的散射来调控材料的热导率。然而，在低温或者复杂晶体中，声子的波动行为不可忽略，甚至占有主导地位，相比于对声子粒子性的调控，目前缺乏对声子波动行为的调控手段。

此外，对于量子计算而言，单模声子可以作为链接超导量子芯片和集成光子的手段。集成光子和超导量子芯片各有其优势，可以相互补充，二者结合实现的固体量子芯片的集成具有长距离和低损耗传输的独特优势。然而，光波和微波之间的大频率间隙使得彼此直接通信具有挑战性。通过光子-声子或微波-声子相互作用引入声子作为桥梁是一种可行的解决方案。而且，由于声子的独特性质，使用集成声子器件代替微波器件可以大大抑制片上器件之间的串扰，有利于记忆和延迟。

因此，精确控制和探测单个声子对于超导量子比特之间的量子态相干转移具有重要意义，这要求实现对单模声子的精准调控，即声子波动行为的精准调控。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术存在的不足，提供了一种原子尺度声子超格栅及设计方法，利用声子模式在不同质量原子间具备不同群速度的特性，设计出三角形结构以进行晶格波相位控制，实现对声子波动行为的精准调控。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种原子尺度声子超格栅，利用声子模式在不同质量原子间具备不同群速度的特性进行晶格波相位控制，所述声子超格栅为由两种不同质量的同位素原子材料组成的结构，两种不同质量的原子材料分为第一质量原子材料和第二质量原子材料，第二质量原子材料部分取代第一质量原子材料形成三角形结构，所述三角形结构在第一质量原子材料区域中间沿宽度方向呈周期性连续布设。

优选地，所述原子材料为石墨烯，所述第一质量原子材料为

优选地，所述三角形结构为直角三角形结构，且以各个三角形结构的直角边对齐沿宽度方向呈周期性连续布设。

优选地，以直角边对齐方向为Y方向，垂直于直角边对齐方向为X方向，单个三角形结构在Y方向上的边长为周期宽度D

以三角形结构中直角边所在的第一质量原子材料区域为入射区域，另一侧的第一质量原子材料区域为探测区域，声子从入射区域激发，经原子尺度声子超格栅实现晶格波相位控制。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于所述的原子尺度声子超格栅的设计方法，该方法基于声栅衍射理、晶格动力学理论和广义斯奈尔定律，建立基于三角形结构的声子超格栅理论模型，计算晶格波的传播角度、衍射阶数以及横纵波声子转换控制参数。

优选地，通过三角形结构调整晶格波在材料内的传输方向，通过不同长度的第二质量原子控制相位改变，利用三角形结构的周期性和声子入射模式的波长调控衍射阶数。

优选地，所述三角形结构为直角三角形结构，晶格波的传播角度、衍射阶数的计算过程具体为：

根据晶格动力学理论，分别计算声子在两种不同质量的相同原子材料中的群速度，设计三角形结构的相位长度使得相位差改变为0-2π，根据广义斯奈尔定律，出射声子的传播角度以及衍射阶数表达式为：

其中，k

经过三角形结构后，出射声子在三角形结构周期宽度方向的波矢为k

优选地，所述入射声子模式仅考虑正入射的声子模式，即θ

优选地，衍射模式出现的条件为：

优选地，所述声子超格栅理论模型中，固体材料中存在多种偏振的晶格波，声子模式之间可相互转换，入射的横波声子模式和纵波声子模式转换的原则为：

转换后的模式具有相同的振动频率，沿三角形结构的周期方向的波矢保持不变，而沿三角形结构的长度方向的波矢则根据声子色散决定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明利用声子模式在不同质量原子间具备不同群速度的特性，设计三角形结构实现晶格波相位控制，从声子波动性角度调控声子输运，在低温或者复杂晶体中可以有效调控声子输运，有利于在微纳尺度的声子器件的发展；且本发明的可原子尺度声子超格栅可以为任意材料，不依赖于材料的本征性质，例如石墨烯、硅烯、六方氮化硼、金刚石等材料。

2)采用石墨烯材料构造原子尺度声子超格栅，通过多个周期性排布的

3)利用原子间存在比较强的相互作用，使得各个相位调控单元之间存在耦合，在结构设计上具备一定鲁棒性。

4)通过基于三角形结构的声子超格栅理论模型进行晶格波的传播角度、衍射阶数以及横纵波声子转换控制参数计算，可以直接调控透射声子的角度以及衍射阶数，横波和纵波的相互转换以及对应的角度偏转。

附图说明

图1为基于石墨烯材料的声子超格栅结构示意图；

图2为不同长度

图3为经过设计的声子超格栅之后的模式分布，左侧区域是对原子在Y方向位移做二维傅里叶变换的结果，右侧区域是对原子在X方向位移做二维傅里叶变换的结果；实线框内为横波(TA)偏振的声子模式，虚线框内为纵波(LA)偏振的声子模式。

图4为不同阶数的模式在时空间的位移分布结果；

图5为石墨烯低频区域的声子色散关系，并标注了所设定的TA模式的波矢与振动频率，模式转换后的正出射的LA声子的波矢与振动频率也被标注，不同周期宽度以及不同波矢的声子模式的偏转角度和衍射阶数情况；

图6为不同长度的人工结构下出射声子的模式分布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例给出了一种原子尺度声子超格栅，利用声子模式在不同质量原子间具备不同群速度的特性进行晶格波相位控制，所述声子超格栅为由两种不同质量的同位素原子材料组成的结构，两种不同质量的原子材料分为第一质量原子材料和第二质量原子材料，第二质量原子材料部分取代第一质量原子材料形成三角形结构，所述三角形结构在第一质量原子材料区域中间沿宽度方向呈周期性连续布设。

本实施例还给出了一种原子尺度声子超格栅设计方法，该方法基于声栅衍射理、晶格动力学理论和广义斯奈尔定律，建立基于三角形结构的声子超格栅理论模型，计算晶格波的传播角度、衍射阶数以及横纵波声子转换控制参数。

具体地，通过三角形结构调整晶格波在材料内的传输方向，通过不同长度的第二质量原子控制相位改变，利用三角形结构的周期性和声子入射模式的波长调控衍射阶数。

本实施例中的原子尺度声子超格栅可以为任意材料，不依赖于材料的本征性质，例如石墨烯、硅烯、六方氮化硼、金刚石等材料。

实施例2

本实施例以石墨烯材料为对原子尺度声子超格栅、以及对应的设计方法进行详细介绍。具体地，本实施例中的三角形结构为通过

如图1所示的基于石墨烯材料的声子超格栅结构，三角形结构为直角三角形结构，且以各个三角形结构的直角边对齐沿宽度方向呈周期性连续布设；

定义直角边对齐方向为Y方向，垂直于直角边对齐方向为X方向，单个三角形结构在Y方向上的边长为周期宽度D

以三角形结构中直角边所在的第一质量原子材料区域为入射区域，另一侧的第一质量原子材料区域为探测区域，声子从入射区域激发，经原子尺度声子超格栅实现晶格波相位控制。

对于周期性布设的三角形结构，为保证其相位梯度的存在，其周期数量有一定要求。进一步地，本实施例采用八个周期性的三角形结构实现相位梯度。

由于激发出的声子模式在不同质量的石墨烯间具有不同的群速度，因此利用该三角形结构调整晶格波在材料内的传输方向，不同长度的

在经过该三角形结构后，正入射的晶格波的传播方向发生改变，其透射之后的传播方向依赖于晶格波的波长，人工结构的周期宽度，以及模式的偏振情况，能量的流向则受到结构的相位取向影响。

当平面波入射到结构表面时，声栅衍射理论通过分解不同的传播模式分量。结合本文的设计以及傅里叶变换方法，就可以计算不同模式的声波传播情况。

此外，在固体中存在纵波和横波，不同偏振的声子模式可以相互耦合和相互转换，透射模式中横波和纵波共存，通过声子的色散关系，也可以预测出其余偏振模式的透射角度。

此外，原子之间存在比较强的相互作用，这使得各个相位调控单元之间存在耦合，这使得在结构设计上可以有一定的鲁棒性，模式偏转角度强烈依赖于周期宽度，但是对长度不敏感，因此可以利用这一条件大幅度减少结构的厚度，使其在声子的相干尺度内发挥作用。

利用分子动力学结合波包模拟的方式进行理论验证，通过晶格动力学计算的到石墨烯的色散关系以及本征矢后，根据相应的信息激发声子高斯波包，其表达式为：

其中，k是声子波矢，λ代表声子支序号，η为高斯波包在时空间的展宽，u

在上述理论模型的指导下，本实施例探究了入射波长为

石墨烯在低频段的声子色散关系如图5(a)所示，与TA模式频率相同的LA模式对应的波矢与图3中的纵波LA模式的波矢相一致，这表明横波TA和纵波LA模式的转换基于两个原则：(1)频率相同；(2)Y方向波矢相同。基于石墨烯的色散关系，可以获得对应的纵波LA模式沿X方向的波矢并根据广义斯奈尔定理计算其衍射阶数以及偏转角度。

结构在不同周期宽度下，TA模式和模式转换产生的LA模式的偏转角度以及阶数如图5(b)和图5(c)所示，实线为理论计算的结果，离散符号为模拟得到的结果，二者保持高度一致。同时，不同波长的声子的偏转如图5(d)所示，对于任意波长的声子，经过该结构，都可以获得与理论预测相一致的偏转。

进一步探究有结构之间相互作用导致的非局域效应，缩减模型在X方向的尺寸，当D

实施例从理论和模拟上研究了以石墨烯为模型的声子超格栅对晶格波的传播角度调控。合理设计结构的参数可以直接调控透射声子的角度以及衍射阶数，并在此基础上研究了横波和纵波的相互转换以及对应的角度偏转。与以往对声子的调控方式不同，本发明没有基于声子的非弹性散射影响声子传输，而是通过声子的波动性来控制声子的传播，这种方法有利于在低温或者复杂晶体中调控声子输运，有利于在微纳尺度的声子器件的发展。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。