研究背景
隨著科學技術的進步，特別是在微波頻率下的聲子工程取得了顯著進展，如微波聲學濾波器和量子信息處理中的聲子轉換，引起了對在更高頻率范圍內（即千兆赫至太赫茲頻率）聲子工程的關注。太赫茲頻率聲子工程可以推動更高速度和更寬帶寬的聲學技術發展，同時在高溫環境下實現單聲子量子態，以及優化非金屬固體的熱傳導性能。然而，實現這些目標面臨著諸多挑戰，主要是在亞納米精度下實現材料控制和在太赫茲頻率下有效聲子耦合的困難。盡管太赫茲頻率下的聲子工程具有廣闊的應用前景，但目前的研究進展受限于幾個關鍵問題。首先，實現在千兆赫至太赫茲頻率下的相干聲子的生成、檢測和操控需要在亞納米甚至原子級別上精確控制材料結構。其次，現有技術在這一頻率范圍內的聲子耦合效率和寬帶檢測能力仍然有限，這限制了實際應用中的性能和可靠性。為了解決這些問題，美國加利福尼亞大學伯克利分校王楓教授團隊在“Nature”期刊上發表了題為“Terahertz phonon engineering with van der Waals heterostructures”的最新論文。他們采用了范德瓦爾斯異質結構作為關鍵平臺，利用其可以精確堆疊原子薄層并形成原子平滑界面的優勢。研究團隊特別選擇了幾層石墨烯作為超寬帶聲子轉換器，并利用單層WSe2作為高靈敏度的聲子傳感器。通過這種設計，他們能夠將飛秒近紅外脈沖有效地轉換為高達3 THz頻譜的聲子脈沖，同時實現了對入射機械波的高保真度響應檢測，類似于傳統光譜學中對電磁波的響應檢測。 研究團隊的工作不僅在實驗上取得了重要突破，還在理論上對太赫茲聲子的性質進行了深入分析和建模。通過量化測量結果與納米機械模型的比較，他們成功地確定了異質界面處的力常數，為今后設計和優化范德瓦爾斯異質結構提供了理論指導。此外，他們還展示了單層WSe2在六方氮化硼中的應用，有效阻止了太赫茲聲子的傳輸，從而為超寬帶聲學濾波器和調制器的開發奠定了基礎。
科學亮點
（1）實驗首次利用幾層石墨烯作為超寬帶聲子換能器，成功將飛秒近紅外脈沖轉換為高達3 THz頻譜內容的聲子脈沖。
（2）同時，單層WSe2作為敏感傳感器，利用其激子-聲子耦合和強光-物質相互作用實現了高保真度的太赫茲聲子檢測。
（3）實驗通過范德瓦爾斯異質結構堆疊，展示了靈活操控太赫茲聲子的能力。作者成功制造了高品質因子的太赫茲聲子腔，并通過檢測入射機械波的響應，進行了類似于傳統光譜學的太赫茲聲子光譜學研究。
（4）此外，作者發現單層WSe2嵌入六方氮化硼中可以有效阻擋太赫茲聲子傳輸，進一步揭示了范德瓦爾斯異質結構在聲子工程中的潛力。
圖文解讀
圖2：在六方氮化硼hexagonal boron nitridehBN中，聲子傳播速度的測定。圖4： 太赫茲反射和透射光譜，以及一維質量-彈簧模型模擬。
結論展望
本文利用范德瓦爾斯異質結構平臺成功實現了太赫茲頻率下的聲子工程，為聲子學和光子學交叉領域開辟了新的可能性。通過精確控制原子薄層的集成和利用石墨烯等材料作為超寬帶聲子換能器，本研究不僅展示了寬帶太赫茲聲子的高效生成和靈敏檢測能力，還揭示了在范德瓦爾斯異質結構中實現聲子操控的潛力。這一工作不僅在聲子學領域推動了超快聲子控制和量子聲子操作的進展，還為新型熱材料的設計提供了理論和實驗基礎。 尤其是，太赫茲聲子的超短波長和大能量帶寬，使其在聲學測距、聲光調制和熱傳導控制等方面具有廣泛應用潛力。此外，六方氮化硼中太赫茲聲子的超高Q值更為未來實現太赫茲聲子與可見光子之間的量子轉換提供了新的路徑。這些科學啟迪不僅加深了對聲子在納米尺度下行為的理解，還為開發新一代聲子電子器件和熱管理技術奠定了堅實的基礎。Yoon, Y., Lu, Z., Uzundal, C. et al. Terahertz phonon engineering with van der Waals heterostructures. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07604-9
