J. Phys. D: Appl. Phys.: 表面声波科技在2019年的展望

【引言】

声子与光子和电子类似，代表了固态材料中的基本激发。在过去的几十年中，全新设备的创新主要是通过控制电子和光子或磁性和自旋激发来实现的。 最近，声子重新回到基础研究和应用研究的焦点，因为控制声子与电子和光子类似，例如，在新型声子设备中利用声能。

许多当前的“声学”设备采用声学声音，这与它们的电磁计数器部件光子具有惊人的类比。刚性材料中的声音和透明介质中的光都具有线性色散并且仅弱衰减。然而，对于声波，传播速度达到每秒几千米，这比光速慢大约100000倍。微声学有意利用这些非常不相似的传播速度：技术上高度相关的射频（RF）域中的电磁微波器件，从几兆赫兹到几千兆赫兹的范围，由于相应的光波长范围介于厘米和米之间。使用声音，这些尺寸可以优雅地缩小100000倍，以适合用于移动通信中的信号处理的小芯片。因此，几十个声学RF滤波器是几乎每个当前（LTE）或未来（5G）无线设备的组成部分。声表面波（SAW）和体声波（BAW）也越来越多地应用于生命科学和微流体（声学流体学）中，用于传感或混合和处理微量液体，从而导致所谓的“实验室 - a-chip'（LOC）或微全分析系统（μTAS）。这种缩略图大小的微流体装置开始出现并彻底改变医学中的诊断任务。值得注意的是，所有上述设备都很便宜，有时它们甚至可能被视为消耗品，因为它们是通过最先进的洁净室技术大规模生产的。除了不断增加的已经非常实用的应用之外，SAW和BAW非常适合基础研究以及探测和控制凝聚态物质中的基本激发，即使在单量子极限的情况下也是如此。

【成果简介】

这篇特刊包含了来自整个领域的专家关于新型传感器波导调制器，单量子点（QD）结构2D材料压电材料和混合器件，甚至宏观量子系统的专题评论和研究文章。在这篇文章中，作者介绍了这些和其他主题中的几个，并提供了2019年表面声波科学和技术现状的概括，并对未来所面临的挑战和机遇提出意见。该成果以题为“The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap”发表在J. Phys. D: Appl. Phys.上。

【图文导读】

Figure 1.本文涵盖了SAW研究领域

Figure 2.通过将跨越式量子位的电容形成为叉指式换能器（IDT），可以将超导量子位耦合到SAW

Figure 3.将超导量子置于这些谐振器内并观察到强相互作用

Figure 4.QO与QA的对应原则总结

Figure 5.QA和SAW研究如何在量子信息科学中提出新的见解的两个代表性例子

(a)大规模量子模拟

(b)大规模量子网络

Figure 6.艺术家对声波辅助的两个遥远QD之间单电子传输的看法

Figure 7.SAW的应用示意图

(a)由SAW以900MHz驱动的NV中心的光学边带转换。红色和蓝色边带分别对应于声子的吸收和发射。

(b)由两个光场驱动的NV中心和通过共振拉曼过程的SAW的示意图，该过程在Λ型三级系统中结合了边带光学过渡。

Figure 8.声子网络示意图

(a)具有交替波导的量子网络的示意图，其中允许在ωA和ωB附近传播，并且对于波导A和B分别禁止接近ωB和ωA。

(b)使用封闭机械子系统的旋转声子网络。 如虚线框所示，任何两个相邻节点和它们之间的波导可以形成封闭的子系统。

(c)具有交替的声子晶体波导和周围的声子晶体正方晶格的声子网络的机械设计。

Figure 9.单个QD的发射光谱，具有分辨的SAW边带

Figure 10.光机械晶体是用于路由或限制纳米级光和声的多功能平台

Figure 11.由SAW调制的极化微腔（MC）

Figure 12.器件结构及表征

(a)通过由压电ZnO岛上的换能器（IDT）发射的表面声波（SAW）在GaAs/（Al，Ga）As双量子阱（DQW）中间接激子（IXs）的声学传输。IXs在半透明顶部电极（STE）和掺杂衬底之间施加的偏压VBIAS下形成。叠加的PL图像比较SAW不存在和存在时的发射。插图：沿z方向的DQW波段图，显示直接（DX）和间接（IX）激子跃迁。

(b)通过DQW中的传导（CB）和价带（VB）的移动应变调制的IX传输。

(c)光谱PL图像和(d)时间分辨的PL迹线，分别记录在距离激发激光点500μm和350μm的位置处的传输通道上。

Figure 13.单个IXs沿窄通道的声学传输

Figure 14.SAW换能器与腔光机械系统的集成

Figure 15.微波到光学转换的示意图

Figure 16.声学石墨烯晶体管的示意图

Figure 17.在泵浦脉冲激发下具有SAW场的MoS2薄片的示意图

Figure 18.共振时的声驱动磁化动力学

Figure 19.磁性引起的非互易SAW传播

Figure 20.最先进的SAW RF滤波器，双工器和1至4多路复用器或四路复用器的封装尺寸

Figure 21.移动电话前端的结构

Figure 22.简单的气体传感SAW传感器

Figure 23.声磁流体操纵

Figure 24.涉及处理分子或纳米颗粒的可混溶浓度分布的技术

Figure 25.由SAW和液滴中的液体体积之间的相互作用产生的不同流体致动的示意性横截面图示

Figure 26.柔性ZnO/PET SAW器件

Figure 27.使用SAW进行细胞操作的分类应用领域的图示

Figure 28.PA涂覆的SAW芯片上的B35细胞

【小结】

表面声波（SAW）和体声波已经是工业相关的极少数声子技术中的两种。例如，声学射频滤波器是无线设备的组成部分。SAW特别适用于生命科学和微流体技术，用于传感和混合微量液体。除了不断增加的应用数量之外，SAW还非常适合在单量子激发极限下探测和控制凝聚态物质中的基本激发。这种广泛，高度多样化，跨学科和不断扩展的频谱完全结合了先进的传感和操纵应用。值得注意的是，SAW技术本质上是多尺度的，并且从单个原子或纳米级单元甚至达到毫米级。本文的目的是提供2019年表面声波科学和技术现状的总结，并提供一个关于未来所面临的挑战和机遇的意见。

The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap

(J. Phys. D: Appl. Phys., 2019, DOI: 10.1088/1361-6463/ab1b04)

本文由tt供稿，材料牛整理编辑。 

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