在经过应变工程处理的半导体晶体中，由巨量 Berry 相位驱动的 X 射线束位移现象

《Advanced Materials》：Giant Berry-phase-Driven X-Ray Beam Translations in Strain-Engineered Semiconductor Crystals

光子晶体与贝里相位效应在X射线领域的应用及氢化诱导晶格变形调控研究。摘要：通过选择性氢化技术调控GaAsN/GaAs异质结的晶格变形，利用贝里相位效应实现X射线束的亚毫米级偏移。实验表明，氢化诱导的周期性晶格变形（亚纳米级）可产生显著的空间依赖性贝里曲率，导致X射线传输的多分支现象。结合有限元素法计算与X射线传输测量，揭示了晶格变形与X射线波传播的定量关系，证实了晶格亚纳米调制对X射线束的精准控制。该研究为开发可重构X射线光学器件提供了新方法。

　　在光子学领域，光与物质相互作用的方式是该学科的核心原理之一。随着研究的深入，人们逐渐意识到，光的操控不仅限于可见光和红外波段，而且在X射线波段同样具有巨大潜力。然而，实现这一目标面临诸多挑战，主要在于X射线波长通常处于亚纳米量级（1–10 ?），这要求人工结构具有与之相匹配的亚纳米精度，而这在传统光子结构的制造中尚难以实现。为解决这一难题，研究者们提出了一种基于“Berry相效应”的新思路，即利用晶体结构的变形来控制X射线光束的传播路径，从而实现对X射线的精准操控。

所谓Berry相效应，指的是X射线光子在通过具有非均匀结构的晶体时，由于晶体在实空间和倒空间中同时存在Berry曲率，从而导致光束发生显著的横向位移。这一现象的理论基础早在2006年就被提出，当时的研究预测了该效应，并构建了相应的理论模型来描述其机制。近年来，这一效应逐渐引起了研究者的关注，并在实验中得到了验证。例如，在2010年，科学家通过实验观察到X射线光束在均匀弯曲的硅片中发生约1毫米的位移，而在2013年，通过在硅晶体中引入锗岛，X射线光束在通过晶体时发生了约100微米的位移。这些实验结果表明，Berry相效应不仅可以实现X射线光束的操控，还为开发新型X射线光学元件提供了可能，如X射线光束分束器和路由器。

为了进一步推动这一效应的应用，研究者们提出了一个创新的方法，即通过空间选择性氢化来实现对GaAsN/GaAs异质结构的精确控制。GaAsN是一种掺氮的III-V族半导体材料，其在可见光和近红外波段具有重要的应用前景。然而，由于氮的引入会导致晶格参数的变化，进而影响材料的性能，因此如何有效控制这种变形成为关键问题。研究发现，通过氢化可以中和氮的某些效应，如晶格参数的改变和能带结构的变化。更进一步，氢化不仅能够调整氮的分布，还能够诱导晶格的扩展或压缩，从而形成具有特定变形特征的结构。

在本研究中，通过在GaAsN/GaAs异质结构上应用空间选择性氢化技术，研究者们成功地制造了具有亚纳米级变形的样品。这些样品的表面被覆盖了一种具有特定尺寸和间距的氢不透光圆形掩模，通过调整掩模的尺寸（如0.2、0.5或1微米）和间隔（如1微米），可以实现对晶格变形的精确控制。通过有限元方法（FEM）计算，研究者们得到了这些样品的晶格参数和变形分布图，揭示了晶格在不同方向上的变化趋势。这些计算结果不仅为实验提供了理论支持，还为后续的X射线光束传播特性分析奠定了基础。

在实验部分，研究者们通过扫描X射线入射角（θ）来监测X射线在晶体中的传播特性。实验结果表明，当θ接近布拉格角（θ_B）时，X射线光束会发生显著的横向位移，这种位移与晶格的变形密切相关。通过对不同掩模尺寸的样品进行比较，研究者们发现，随着掩模尺寸的增大，光束的位移趋势逐渐变得对称，表明晶格变形对光束传播的影响更加显著。此外，实验还揭示了不同晶格区域对光束传播的贡献，例如氢化区域和未氢化区域，这些区域分别对应于不同的光束传播路径。

为了进一步验证这些实验结果，研究者们与理论模型进行了对比。理论模型基于对晶格变形和倒空间中Berry曲率的计算，成功地预测了光束位移的方向和大小。这一理论与实验结果的吻合表明，空间选择性氢化确实能够实现对晶格变形的精确控制，从而有效调控X射线的传播特性。研究者们还发现，通过调整氢化剂量和掩模设计，可以进一步优化晶格的变形分布，从而增强或减弱特定区域的光束位移效果。

本研究的成果不仅为X射线光学元件的设计提供了新的思路，也为未来在X射线成像、干涉和多路复用技术中的应用奠定了基础。通过空间选择性氢化技术，研究者们能够实现对晶格结构的精确操控，从而创造出具有特定功能的X射线光子结构。这些结构可以用于制造高精度的X射线分束器和路由器，从而在实验中实现对X射线光束的动态控制。此外，研究者们还计划进一步探索动态调控方法，如利用声表面波（SAW）等技术，实现对晶格变形的实时调整，以提升X射线光学元件的灵活性和功能性。

综上所述，这项研究通过空间选择性氢化技术，成功地实现了对GaAsN/GaAs异质结构的晶格变形控制，从而引发了X射线光束的显著横向位移。这一成果不仅揭示了Berry相效应在X射线领域的应用潜力，还为未来的X射线光学器件设计提供了重要的理论和技术支持。通过进一步优化变形模式和探索动态调控方法，有望实现更加复杂和高效的X射线光学系统，从而推动该领域的发展。