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研究快讯 | 二维材料中实现声子聚焦
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Phonon Focusing Effect in an Atomic Level Triangular Structure
Jian-Hui Jiang (姜剑辉), Shuang Lu (鲁爽), and Jie Chen (陈杰)
Chin. Phys. Lett. 2023, 40 (9): 096301
DOI: 10.1088/0256-307X/40/9/096301
文章亮点
基于声子波动特性，在各向同性的二维材料中实现了声子聚焦效应，为通过原子级微结构设计实现可控声子聚焦提供了物理见解。
上列：单层石墨烯中引入三角形原子级人工微结构实现声子聚焦效应的示意图。
下列：左图为单模声子波包正向入射透过该结构的聚焦图案。中图显示了结构的宽度与聚焦点呈线性关系，可用于调控声子聚焦点的位置。右图为单模声子波包反向入射透过该结构的聚焦图案。
二维材料中实现声子聚焦
研究背景
作为固体中的准粒子，声子同时具有类似波和粒子的特性，是绝缘体和半导体中的主要热载体。声子的波动特性不仅可以用来调控材料中的热传输，并且在量子信息中有重要应用。波聚焦是一种重要的波动调控行为，不仅在医学诊断和肿瘤热疗中发挥着重要作用，而且在工程领域的无损探伤技术中也十分重要。之前的工作，人们主要基于声子的粒子特性，研究了各向异性固体中的声子聚焦，实现了准一维的热传输。这种声子聚焦主要依赖于晶体的各向异性，没有利用相位控制。因此，在各向同性的系统中实现声子聚焦仍是一项挑战。
内容简介
最近，同济大学物理科学与工程学院陈杰教授课题组基于对晶格波的相位调控，在单层石墨烯中构建了原子级别的人工微结构，实现了可控声子聚焦。该工作在单层石墨烯中设计了包含同位素的三角形结构，在三角形结构顶点附近实现了单模声子聚焦，并且通过改变结构的高度，可以实现声子聚焦点的位置、能量和时间等多种特征的调控。更有趣的是，通过改变声子入射方向，可以获得不同的声子聚焦图案和能量传输系数，体现出非对称传输特性。该工作深入讨论了声子在聚焦过程中发生的模式转换机制，为基于原子级微结构设计实现声子模式聚焦效应提供了物理机制分析。
研究意义和重要性
该工作通过在单层石墨烯中设计原子级人工微结构，在各向同性系统中实现了可控声子聚焦效应。这种基于声子波动特性的聚焦效应不仅对调控材料中热传输具有重要意义，而且有助于拓展声子工程在医学和检测领域的相关应用。
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