引言

当我们谈论“信息高速公路”时，通常想到的是光纤、电缆，甚至量子比特的超导线路。而今天要介绍的，是一条“你听不见、但真的很强”的新型高速通道：用声子传信息的“拓扑波导”。

更神奇的是：哪怕让它拐个120度的急弯，其传播损耗仍低至惊人的3 dB/km，相当于光纤水平，为声子电路的发展铺平了道路。这项研究由哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的 Xiang Xi 和 Albert Schliesser 团队完成，并联合 ETH 苏黎世、德国康斯坦茨大学等机构发表在 Nature。

第一章 声子、波导与“拐弯不散射”的难题

声子是固体或液体中声波的量子化激发，可以理解为“声音的粒子”。与光子或电子相比，声子具有传播速度慢、在材料中强局域化以及对电磁辐射免疫等特点。这些特性使得声子在芯片级声子电路中具有巨大潜力，能够以更紧凑、高效和鲁棒的方式传输、存储和处理信息。

为了让声子能“跑得远又不掉头”，科学家们设计了各种“声子波导”（phononic waveguides），希望它像光纤一样把信号顺滑地送到指定位置。然而，声子可不像光那样“高冷”，它容易在边界散射、在材料中损耗，哪怕用上“拓扑保护”的手段，损耗依旧很高——约dB/cm级别，即10⁵ dB/km），别说拐弯，走直线都累。

第二章 本文研究：超低损耗 + 拓扑保护，一起上

研究团队首次将两种物理机制结合：

1.软夹钳（soft clamping）：减少机械能量在边缘的弯折和损耗；

2.谷霍尔拓扑保护（valley-Hall effect）：让声子沿特定方向“绕边界走”，自动回避散射。

结果如何？他们在芯片上打造出了一条近乎“完美”传输的声子波导：

· 室温下传输损耗低至 3 dB/km（相当于光纤水平）；

· 拐一个 120° 的急角，能量通过的概率高达 99.99%；

· 单个声子在通过急角的过程中丢失概率不到百万分之一。

图1 拓扑声子波导结构示意图，界面两侧拓扑不同的晶格结构及其边界引导模式。

第三章 核心机制一：拓扑 + 模式软限制

这条波导的结构并不复杂：一张薄薄的高张力硅氮膜（SiN），上面打上了“蜂窝状三角孔洞”，左右两边的三角孔角度相反，就像是两个拓扑“相反”的晶体。

在它们的边界上，出现了所谓的“谷态边界模（valley edge mode）”——这是一种会自动沿界面传播的声子模式，而且有一个极好的特性：

“往哪走就只走那边，中途绝不回头。”

这种单向行走的特性来源于拓扑保护，使得即便遇到障碍，比如尖角弯折、边界缺陷，也不会轻易反弹回来。

同时，这种模式不会像普通机械振动那样在“边缘卡住、弯折、损耗”，而是像指数衰减一样软软地嵌入材料内部，这种行为正是“soft clamping”的本质。

图2 谷霍尔效应拓扑绝缘体和预应力薄膜中的边界态。

第四章 核心机制二：三角环路与声子“拐弯测试”

为了测试这套结构的抗散射能力，团队把波导绕成了一个等边三角形，每条边长约 1 cm，三个角各自形成 120° 的急转弯。

在这种情况下，如果声子真的“不怕弯”，就能在这个三角腔中来回跑很多圈，表现出极高的品质因子（Q 值）和稳定性。

结果显示：

· 某些声子模式的品质因子 Q 高达 3800 万；

· 相当于传播 15 米才损耗一半能量（这在芯片上是极其惊人的）；

· 每个拐角的回弹概率估算不到 1.1×10^-4。

图3 三角形拓扑波导腔体与声子振动谱 a) 将波导做成三角环路的微结构; b) – e)模式谱、振动分布、能量衰减以及质量因子统计。

第五章 核心结果：拓扑保护 ≠ 无损，但可以接近

拓扑保护并不意味着完全没有能量丢失。传统“拓扑光子波导”也只能减少散射，但没法解决材料损耗。

本研究的突破在于：将低损耗机制（软夹钳）与拓扑结构自然结合，实现了同时满足：

· 几乎无反射（拓扑）；

· 几乎无耗散（材料设计）。

这种组合的“超低损耗拓扑波导”前所未有。

第六章 更进一步：还能做“声子放大器”

作者还展示了一种实验方式：给拓扑腔体注入一个“调频激励”，在特定频率下可以看到机械振幅的增益响应，这正是参量放大的特征。

这意味着，未来可以在这种拓扑结构中构建：

· 声子放大器

· 非线性模式耦合器

· 低噪声信号调制器

甚至进入量子调控领域。

终章 总结

这项工作为未来构建芯片级声子器件网络奠定了一个关键基石：

· 让声子能长距离稳定传播；

· 能在复杂结构中不拐失、不碰伤；

· 同时具备“量子兼容性”和“非线性可控性”。

如果说电子是计算的骨架、光子是通信的神经，那么声子或许将成为“量子硬件”中的肌肉和韧带，把信息流在芯片中弹性串联起来。

参考文献：

Xi, X., Palomaki, T., Qiu, W. et al. A soft-clamped topological waveguide for phonons. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09092-x

撰稿｜姜怡宁

指导｜刘玉龙