近日，加拿大麦吉尔大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种具有光学可编程性的新型声子晶体。这种声子晶体利用光学弹簧技术，可以将振动模式引入声子晶体的带隙，从而实现机械波（声波）在特定区域的局部化调控。该工作以“Optically Defined Phononic Crystal Defect”为题，发表在《物理评论快报》（PRL）上。
光学弹簧：动态操控声子晶体缺陷的核心
声子晶体是一种能够像光子晶体控制光传播一样，控制振动或声波传播的特殊材料。其内部的周期性结构若被引入缺陷（即故意破坏的周期性），会在带隙中形成局部化的振动模式。这些缺陷模式可以将机械波限制在更小的区域，为开发新技术提供可能。然而，以往的缺陷设计依赖于复杂的模拟和精密的加工，缺乏灵活性。
麦吉尔大学团队提出了一种全新的解决方案：利用光学弹簧技术，通过调节激光强度，将机械模式转移至晶体的带隙内，从而生成局部化的缺陷模式。这一方法突破了传统方法的局限性，不仅能够动态调整缺陷特性，还可以在设备运行时实时重新编程，极大地提升了系统的可操作性。
什么是光学弹簧技术？
光学弹簧技术是一种利用光学辐射压力实现力学调控的先进技术。在这一技术中，光与物体（通常是机械结构）的相互作用通过辐射压力产生一种类似弹簧的力，从而改变物体的运动特性或振动频率。具体来说，当一束光射入一个光学腔（例如光纤腔或Fabry-Perot腔）并与腔中的机械结构（如薄膜或悬臂梁）相互作用时，光子携带的动量会作用于机械结构，产生辐射压力。这种辐射压力可以在物体表面引入附加的弹性力，表现为类似“弹簧”效应，因此被称为光学弹簧。
新方法的实验演示与技术突破
研究团队首先通过光刻技术制备了一种带有周期性孔洞的膜状声子晶体。随后，他们将晶体置于光纤腔内，并通过精密的激光定位使光束对准膜片的中心。通过光学弹簧产生的“弹性力”，研究人员成功破坏了膜片的周期性结构，创建了可调的缺陷模式。
实验中，团队利用光学腔的共振效应，产生了强烈的光场，作用于晶体膜片的小范围区域。通过调节激光的功率，他们能够动态且可逆地改变缺陷的性质。结果表明，这种光学弹簧技术显著降低了缺陷模式的惯性质量，并实现了机械波的高效局部化。
潜在应用
这种新方法为机械系统或者声子系统的动态可编程化开辟了全新方向，其潜在应用场景包括：
- 机械波导与信息路由：研究团队展示了通过光学弹簧调控缺陷模式，可以生成用于路由机械信息的波导或其他结构。
- 量子信息传输：声子晶体能够在芯片上存储和传输量子信息，并连接不同的量子系统。这种光学调控方式为量子计算和量子通信提供了新的实现路径。
- 模拟凝聚态物理系统：通过光学弹簧技术，研究人员能够动态模拟凝聚态系统中的复杂行为，如带隙态和拓扑声子态。
此外，这一技术还能为生成更大尺度的量子力学态提供支持。研究表明，光子通过光学弹簧与多个相似的机械共振模式同时相互作用，能够形成高密度的交互网络，进一步增强每个光子的影响力。这种网络化的相互作用为实现大规模的量子态提供了新道路。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.226904
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