一种原子尺度声子超格栅及设计方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、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。

4、优选地，所述原子材料为石墨烯，所述第一质量原子材料为12c石墨烯，所述第二质量原子材料为14c石墨烯，所述三角形结构为通过14c石墨烯替换12c石墨烯形成的14c石墨烯三角形结构。

5、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。

6、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dy，在x方向上的边长为相位长度dx；

7、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。

8、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。

9、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。

10、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：

11、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：

12、

13、其中，k0为入射声子模式的波矢；θt为透射的声子模式传播角度；θi为入射声子模式角度；gn为三角形结构的倒格矢，n为衍射阶数，dy为三角形结构的周期宽度。

14、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ky＝gn，沿长度方向的波矢为传播角度为

15、优选地，所述入射声子模式仅考虑正入射的声子模式，即θi＝0°。

16、优选地，衍射模式出现的条件为：

17、

18、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：

19、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。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、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。

22、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14c原子取代12c原子组成的三角形结构，可实现更为精准声子波动行为调控。

23、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。

24、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。

技术特征：

1.一种原子尺度声子超格栅，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的原子尺度声子超格栅，其特征在于，所述原子材料为石墨烯，所述第一质量原子材料为12c石墨烯，所述第二质量原子材料为14c石墨烯，所述三角形结构为通过14c石墨烯替换12c石墨烯形成的14c石墨烯三角形结构。

3.根据权利要求1所述的原子尺度声子超格栅，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的原子尺度声子超格栅，其特征在于，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宽度方向上的边长为周期宽度dy，在x长度方向上的边长为相位长度dx；

5.一种用于权利要求1所述的原子尺度声子超格栅的设计方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，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：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述入射声子模式仅考虑正入射的声子模式，即θi＝0°。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，衍射模式出现的条件为：

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，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：

技术总结
本发明涉及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。与现有技术相比，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。

技术研发人员：陈杰,鲁爽,李勇
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16