基于光声晶体微腔的片上声学奇异点分析

近日，清华大学电子工程系黄翊东团队崔开宇副教授等利用光声晶体微腔这一片上腔光力学体系构建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。该研究为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。

组图：基于拉链型光声晶体微腔的片上声学奇异点：A.等效物理模型 B.实验测试装置示意图 C.拉链型光声晶体微腔电子扫描显微镜照片 D.声学谐振频率随系统参数演化的拓扑面 E.奇异点附近系统本征值的根号阶次劈裂。

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更大优势。然而，高频声学模式难以调控，GHz声学奇异点一直以来未能在芯片上实现。

该研究提出了利用拉链型光声微腔构造具有宇称-时间反对称的声学哈密顿量来实现片上声学奇异点，其中微腔中具备边带可分辨特性高品质因子的光学模式，用于连接两个独立振动的近简并GHz声学呼吸模式，从而构造声学模式之间的耗散耦合和相干耦合。

实验上通过改变输入激光的波长和功率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，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，并成功观测到了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，该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。

近日，该成果以“基于拉链型光声晶体微腔的片上声学奇异点”（On-chip mechanical exceptional pointsbased on an optomechanical zipper cavity）为题发表在《科学·进展》（Science Advances）上。

审核编辑：刘清