當(dāng)楊氏雙縫遇上各向異性晶體：GHz表面聲波的奇特干涉圖樣

楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中最精妙、最基礎(chǔ)的演示之一，它揭示了光的波動(dòng)性。它的核心在于源自兩個(gè)不同點(diǎn)源的相干波的疊加，從而產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的、可預(yù)測(cè)的干涉圖樣。然而，當(dāng)這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)從光學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化到表面聲波（SAWs）領(lǐng)域，特別是在砷化鎵（GaAs）等晶體襯底上傳播的吉赫茲（GHz）表面聲波時(shí)，一個(gè)至關(guān)重要的全新維度被引入：各向異性。利用各向異性GHz SAWs演示楊氏雙縫干涉的這項(xiàng)工作代表了一個(gè)重大進(jìn)步，它將經(jīng)典的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)帶入了固態(tài)物理學(xué)和先進(jìn)材料科學(xué)的復(fù)雜性之中，并提供了一個(gè)探索非各向同性介質(zhì)中波動(dòng)現(xiàn)象的有力工具。

從各向同性的光到各向異性的聲

在人們熟悉的光學(xué)雙縫實(shí)驗(yàn)中，光通過一個(gè)實(shí)際上各向同性的介質(zhì)（空氣或真空）傳播。這意味著波的相速度與傳播方向無關(guān)。由此產(chǎn)生的干涉圖樣是幾何上簡單的，條紋遵循由光程差ΔL=dsinθ導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)公式，其中d是狹縫間距，θ是與中心的夾角。

GHz SAWs在GaAs上的環(huán)境則從根本上不同。GaAs是一種具有閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)的壓電晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)決定了其力學(xué)和電學(xué)特性是強(qiáng)烈的各向異性。例如，沿[100]方向傳播的波將具有與沿[110]方向傳播的波不同的速度和能量流。波矢量（傳播方向）與坡印廷矢量（能量流方向）之間的關(guān)系不再必然平行，從而導(dǎo)致一種被稱為聲束轉(zhuǎn)向或聲波走離的現(xiàn)象。

SAW雙縫實(shí)驗(yàn)的核心獨(dú)創(chuàng)性在于成功地在微米和納米尺度上制造并觀察了這種現(xiàn)象，其中SAW的波長處于微米量級(jí)（對(duì)于GHz頻率而言）。該實(shí)驗(yàn)直接展示了各向異性惠更斯-菲涅耳原理，其中波前的每個(gè)點(diǎn)都充當(dāng)次級(jí)波源，但在這里，這些次級(jí)波的速度取決于它們的方向。

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)：納米制造的勝利

用GHz SAWs進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)需要克服在這些高頻率和小波長下與波的產(chǎn)生、制造和探測(cè)相關(guān)的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。

• SAW的產(chǎn)生和狹縫的制造

相干的SAWs是利用叉指換能器（IDT）通過逆壓電效應(yīng)在電學(xué)上產(chǎn)生的。通過向IDT的金屬指施加射頻（RF）電壓，一種周期性的機(jī)械應(yīng)變（即SAW）被發(fā)射到GaAs表面。波的頻率通常在1 GHz左右，對(duì)應(yīng)于幾微米的波長。

雙縫結(jié)構(gòu)本身不像光學(xué)裝置中的物理開口，而是使用高精度技術(shù)（如聚焦離子束（FIB）刻蝕）在GaAs襯底上刻蝕出的兩道凹槽。這些深凹槽有效地阻擋或散射SAWs，形成了兩個(gè)狹窄的、相干驅(qū)動(dòng)的次級(jí)聲源，類似于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的狹縫。這些狹縫相對(duì)于晶軸的精確尺寸和對(duì)齊方式對(duì)于觀察各向異性效應(yīng)至關(guān)重要。

• 高分辨率探測(cè)和濾波

也許最重大的技術(shù)挑戰(zhàn)是SAW位移場(chǎng)的探測(cè)。SAW表面振動(dòng)的振幅通常只有幾十皮米的量級(jí)。這種微小的面外位移是使用高度靈敏的技術(shù)——通常是光學(xué)掃描干涉儀——來測(cè)量的。

為了從原始測(cè)量數(shù)據(jù)中提取干凈的二維干涉圖樣，需要采用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)。將空間傅里葉濾波技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量的復(fù)數(shù)聲場(chǎng)（包括振幅和相位信息）。這個(gè)過程有效地分離了從雙縫傳播出來的波分量，并去除了不需要的背景信號(hào)、反射和體聲波，從而獲得了清晰的、亞微米分辨率的SAW場(chǎng)圖像。

各向異性干涉圖樣

實(shí)驗(yàn)結(jié)果生動(dòng)地證明了GaAs的各向異性對(duì)干涉圖樣的影響，使其與經(jīng)典的楊氏光學(xué)結(jié)果截然不同。

1. 圖樣的重塑：與各向同性介質(zhì)中典型的簡單、筆直、對(duì)稱的干涉條紋不同，SAW干涉圖樣是重塑的。從狹縫發(fā)出的等相位輪廓（波前）不再是完美的圓形，而是根據(jù)聲速的高低方向被拉長或壓縮。
2. 聲束轉(zhuǎn)向：至關(guān)重要的是，聲能流被觀察到發(fā)生了轉(zhuǎn)向——遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣中的最大強(qiáng)度方向偏離了狹縫的幾何法線。這是各向異性介質(zhì)中相速度矢量和群速度（或能量流）矢量不共線的直接后果。測(cè)得的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在一個(gè)由特定GaAs晶體切面的聲學(xué)特性決定的角度。

測(cè)得的干涉圖樣與基于各向異性惠更斯-菲涅耳原理的理論模擬之間的吻合，驗(yàn)證了在復(fù)雜晶體環(huán)境中建模波傳播的框架。測(cè)量結(jié)果不僅揭示了預(yù)期的雙縫干涉，還揭示了近場(chǎng)效應(yīng)和高階衍射特征，為波動(dòng)物理學(xué)提供了一組豐富的數(shù)據(jù)。

對(duì)納米電子學(xué)和聲子學(xué)的影響

這項(xiàng)工作超越了對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的純粹學(xué)術(shù)性重新構(gòu)想。它對(duì)快速發(fā)展的聲子學(xué)領(lǐng)域和納米電子器件的設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。

• 聲電耦合器件：GaAs因其高電子遷移率而成為高速、高頻射頻（RF）電子學(xué)中的關(guān)鍵材料。SAWs已廣泛應(yīng)用于RF濾波器和延遲線。通過各向異性來理解和精確控制GHz SAWs的定向流動(dòng)，為微型片上元件提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)參數(shù)。
• 電荷載流子控制：表面聲波是調(diào)節(jié)半導(dǎo)體表面應(yīng)變和壓電勢(shì)的有力工具。這種調(diào)制可用于在相鄰的量子結(jié)構(gòu)中傳輸或限制電荷載流子（電子或激子），這一領(lǐng)域被稱為聲電子學(xué)。利用各向異性效應(yīng)來轉(zhuǎn)向聲束和重塑其聲場(chǎng)的能力，提供了一種新穎的機(jī)制，可以在芯片上以特定的、定制設(shè)計(jì)的圖案來引導(dǎo)或定位電荷載流子。
• 聲子電路： 通過利用各向異性的效應(yīng)，可以設(shè)想創(chuàng)建聲子集成電路——類似于光子或電子電路的聲學(xué)等效物——其中聲學(xué)信號(hào)的路徑和強(qiáng)度得到精確的工程設(shè)計(jì)。這可能會(huì)催生利用高頻表面波相干、受限特性的新型傳感器、信號(hào)處理元件和量子信息平臺(tái)。

總之，各向異性GHz SAWs在砷化鎵上成功演示楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，代表了經(jīng)典波動(dòng)物理學(xué)與現(xiàn)代固態(tài)技術(shù)的引人注目的結(jié)合點(diǎn)。它突出表明，在先進(jìn)的材料系統(tǒng)中，波的傳播不是一個(gè)簡單的、均勻的現(xiàn)象，而是受晶體對(duì)稱性支配的復(fù)雜相互作用。通過精確測(cè)量由此產(chǎn)生的扭曲干涉圖樣，研究人員獲得了一個(gè)強(qiáng)大的工具來驗(yàn)證各向異性介質(zhì)中的波動(dòng)物理模型，更重要的是，獲得了一個(gè)在芯片上轉(zhuǎn)向、聚焦和控制機(jī)械能的新設(shè)計(jì)原則——這一發(fā)展有望開啟下一代高頻聲電和聲子器件。