超均匀声子纳米结构实现高超声表面声波的宽频调控与波导设计

研究人员通过设计金纳米柱超均匀排列的声子纳米结构，解决了传统声子晶体仅能抑制特定频段声波的局限性。实验证明该结构可在1.35-2 GHz范围实现宽频声波抑制，并成功构建线性/S形波导，为机械量子计算和传感器技术提供了新方案。

　　

在声波操控领域，传统声子晶体犹如精密的筛子，只能过滤特定频率的声波。这种"挑食"特性成为发展高频滤波器、量子计算组件和传感器的瓶颈——就像试图用漏勺捕捞大小不一的鱼群，难免顾此失彼。更棘手的是，实际加工中的微小缺陷会进一步缩窄有效频带，使得声子晶体在复杂应用场景中捉襟见肘。

研究人员独辟蹊径，从超均匀材料（hyperuniform materials）中寻找突破。这类材料兼具晶体与非晶体的双重特性：短程无序却长程均匀，其结构因子S(k)在k→0时趋近于零，能有效抑制密度涨落。此前这类结构在光子学领域大放异彩，但在声子调控领域仍是处女地。

研究团队设计出由330纳米金纳米柱构成的"隐形超均匀"（stealthy hyperuniform）阵列，沉积于1微米厚的铌酸锂薄膜上。通过Voronoi镶嵌算法将优化后的点阵转化为物理结构，使纳米柱间距保持在800-900纳米，间隙宽度控制在80-95纳米。这种设计巧妙利用几何多样性：不同形状的纳米柱产生宽频共振，犹如交响乐团中音域各异的乐器，共同覆盖更广的频率范围。

实验采用叉指换能器(IDT)激发GHz频段表面声波，通过对比有无超均匀结构的传输谱发现：该结构在1.35-2 GHz范围实现显著抑制，并形成BG1(1.35-1.6 GHz)和BG2(1.7-2 GHz)两个类带隙区域。有限元模拟显示，超均匀结构的态密度(DOS)呈现宽峰特征，与传统声子晶体的尖锐峰形成鲜明对比——这正是实现宽频调控的物理基础。

更有趣的是，研究人员通过选择性移除纳米柱，成功构建了3微米宽的线性波导和S形波导。在类带隙频率下，声波被"驯服"在波导内传输，Poynting矢量模拟显示能量被有效约束。实验测得波导区域的透射率比背景高10-15 dB，证明这种结构能同时实现"围栏"与"通道"的双重功能。

关键技术包括：1)采用χ=0.5的隐形超均匀优化算法生成点阵；2)电子束光刻结合金/铬沉积制备纳米柱阵列；3)多组啁啾IDT实现0.6-2.25 GHz宽频测量；4)有限元法模拟声波传输与DOS特性。

主要发现：

超均匀纳米柱结构：通过Voronoi镶嵌实现85%表面覆盖率，结构因子S(k)在k<>

宽频声学调控：在1.35-2 GHz范围实现最高20 dB的传输抑制，抑制带宽比传统六方晶格声子晶体扩大3倍。

自由形态波导：S形波导在BG1频段的传输效率达到线性波导的85%，突破传统声子晶体对波导几何的限制。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次将超均匀概念拓展至GHz声子工程领域。其意义不仅在于提供新的声学调控范式，更启示了"无序中有序"的材料设计哲学。这种兼具宽频抑制与柔性波导能力的结构，为开发抗干扰声学器件、机械量子隔离系统开辟了新路径，或许未来智能手机的射频滤波器就会因此变得更小巧高效。