图为被氦离子束切割出孔洞的石墨烯（灰色）在电镜下的照片，由于中间孔洞的存在，石墨烯的密度产生了周期上的变化。这一结构导致了超位置的振动模式以及力学带隙的产生。这一声子系统的振动频率可通过机械张力在50MHz至217MHz之间调节。图片来源：K. Höflich/HZB
没有电子学和光子学，就不会存在计算机、智能手机、传感器，甚至信息和通信技术也不会存在。在未来几年中，新的声子学领域可能会进一步扩展这些选项。声子领域与理解并控制固体中的晶格振动（声子）有关。然而，为了实现声子装置，必须要能像在通常状态下控制电子和光子那样，精确地控制晶格振动。
声子晶体
声子设备的关键构件是声子晶体，这是一种人工构建的结构，其中诸如刚度、质量或机械应力之类的属性呈周期变化。声子器件可被用作声波导、声子透镜和防振罩，并且可能在未来实现机械量子比特。但是，直到现在，这些系统仍以固定的振动频率运行。我们尚不能以受控的方式更改其振动模式。
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石墨烯中的周期性孔型
现在，柏林自由大学和HZB的团队首次展示了一种控制。他们使用了石墨烯，碳单质的一种形式，其中碳原子二维互连，形成一个扁平的蜂窝状结构。使用聚焦的氦离子束，该团队能够在石墨烯上切割出周期性的孔洞图案。此方法可通过CoreLab CCMS（相关显微镜和光谱学）实现。柏林费迪南德·布劳恩研究所的组长兼HZB的客座科学家KatjaHöflich博士解释说：“我们必须对工艺进行大量优化，以在石墨烯表面切出规则而又不碰到相邻孔的结构。”
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带隙和可调性
该研究第一作者Jan N. Kirchhof的论文现在发表在《纳米快报》上，他计算了该声子晶体的振动特性。他的仿真表明，在一定的频率范围内，振动模式不会发生。类似于固体中的电子带隙，该区域是力学带隙。利用带隙可以定位不同振动模式，而免受环境影响。这里的特殊之处在于：“仿真表明，通过施加由栅极电压引起的机械压力，我们可以快速而有选择地将声子系统从50MHz调谐到217MHz。” Jan Kirchhof说。
未来的应用
FU工作组负责人Kirill Bolotin教授解释说：“我们希望我们的研究结果能进一步推动声子学领域发展。我们希望发现一些基本的物理学原理，并开发出可以应用于例如超灵敏光电传感器甚至量子技术的技术。” HZB的新声子晶体的第一个实验已经在他的团队中进行。
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：柏林亥姆霍兹材料与能源中心
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