基于可扩展微加工与设计的分级声子超材料

在芯片上塑造声音与振动

从降噪耳机到抗震工程，我们对振动和声波的控制已经影响日常生活。这项研究将这种控制提升到新的高度，展示了如何在硅芯片上雕刻微小机械波的传播路径。通过设计复杂的“拓扑化”材料并利用微芯片技术制造，作者证明了可以沿定制轨道引导振动，例如一个数字8形环路，从而为超紧凑的信号滤波器、脆弱元件的防护和能量收集等应用打开了可能性。

由微小重复单元构成的材料

该工作聚焦于“超材料”——其异常行为来源于精心设计的内部结构而非化学成分。这里的图案由微小的梁状结构排列成方形块或单元格，重复成千上万次。这些结构控制机械波，就像有序的玻璃结构可以弯曲和聚焦光一样。作者并未保持图案完全规则，而是在材料中逐步改变单元格的几何形状。这种平滑的变化称为分级，使得波可以沿着目标路径被引导、分裂和聚焦。

用数字射线设计波路径

设计这种分级材料并不容易：为了准确预测波动，传统计算机模拟必须追踪每一根微小梁，对于需要表现得像真正材料而非小器件的数十万单元格而言，这将变得极其缓慢。作者通过采用光学和地震学中常见的概念——射线追踪，绕开了这一瓶颈。他们不是计算波场的每个细节，而是根据每个单元格对波速和方向的局部影响，计算理想化射线如何在材料中传播。然后他们提出一个逆问题：调整单元格形状，使射线沿期望曲线行进。通过这种方法，他们设计出执行特定转向功能的基本构件或瓷砖（tiles）。

用简单瓷砖构建复杂路径

创造了两种关键瓷砖。在第一种中，从中心某点发出的波被分裂并向外引导，使其通过每个边缘直线离开瓷砖。在第二种中，从一侧以宽前沿进入的波被平滑地重定向，从而通过相邻侧面退出，等效地将波转弯九十度。通过确保沿瓷砖边界的单元格几何形状匹配，这些瓷砖像拼图块一样组装时不会干扰波流。仅用几块瓷砖，作者就能设计出大型布局，引导波沿复杂轨道传播，包括一个显眼的数字8形环路和一个十字形路径，每个路径包含数万单元格，但计算工作量适中。

从硅片到被引导的波

为了证明这些设计在现实中可行，团队采用了微芯片制造中的方法。他们使用光刻和深刻蚀技术，将分级梁状图案刻入标准硅基绝缘体（silicon-on-insulator）晶圆的薄顶层。移除下方的牺牲层后，留下一个精巧的悬空图案化硅膜，像鼓膜一样张贴在宽几厘米的晶圆区域上。脉冲红外激光加热膜上的薄金属涂层以触发微小机械脉冲，同时灵敏的光学干涉仪以亚纳米精度在表面多个点测量由此产生的运动。

观察波遵循设计

沿着结构中精心选择的线进行测量，显示波完全按设计行进。由单点发射的脉冲沿数字8路径传播，绕行后返回出发位置。能够完全解析梁结构的计算机模拟与实验结果一致，确认较快的基于射线的设计方法抓住了关键物理特性。值得注意的是，尽管结构是为特定频率设计的，受分级单元格在该频带内对波影响的相似性所致，引导行为在较宽的频带范围内仍然保持。

在芯片上控制振动的新途径

这项研究表明，现在可以在硅晶圆上直接设计并批量生产复杂的波导材料，实现数以百万计的精心排列的微结构。对非专业读者而言，关键结论是在芯片微小的占地面积内，振动可以像光在光纤和透镜中那样被灵活地塑造。这种可扩展的设计与制造结合，为在芯片上隔离敏感元件免受振动影响、处理机械信号以及收集原本被浪费的振动能量等应用，提供了新的工具——通过对拓扑化材料中波流的编程来实现这些功能。

引用: Dorn, C., Kannan, V., Drechsler, U. et al. Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nat Commun 17, 3192 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69888-x

关键词: 声子超材料, 波导引导, 微加工, 硅片, 机械波