研究背景
随着科学技术的进步，特别是在微波频率下的声子工程取得了显著进展，如微波声学滤波器和量子信息处理中的声子转换，引起了对在更高频率范围内（即千兆赫至太赫兹频率）声子工程的关注。太赫兹频率声子工程可以推动更高速度和更宽带宽的声学技术发展，同时在高温环境下实现单声子量子态，以及优化非金属固体的热传导性能。然而，实现这些目标面临着诸多挑战，主要是在亚纳米精度下实现材料控制和在太赫兹频率下有效声子耦合的困难。尽管太赫兹频率下的声子工程具有广阔的应用前景，但目前的研究进展受限于几个关键问题。首先，实现在千兆赫至太赫兹频率下的相干声子的生成、检测和操控需要在亚纳米甚至原子级别上精确控制材料结构。其次，现有技术在这一频率范围内的声子耦合效率和宽带检测能力仍然有限，这限制了实际应用中的性能和可靠性。为了解决这些问题，美国加利福尼亚大学伯克利分校王枫教授团队在“Nature”期刊上发表了题为“Terahertz phonon engineering with van der Waals heterostructures”的最新论文。他们采用了范德瓦尔斯异质结构作为关键平台，利用其可以精确堆叠原子薄层并形成原子平滑界面的优势。研究团队特别选择了几层石墨烯作为超宽带声子转换器，并利用单层WSe2作为高灵敏度的声子传感器。通过这种设计，他们能够将飞秒近红外脉冲有效地转换为高达3 THz频谱的声子脉冲，同时实现了对入射机械波的高保真度响应检测，类似于传统光谱学中对电磁波的响应检测。 研究团队的工作不仅在实验上取得了重要突破，还在理论上对太赫兹声子的性质进行了深入分析和建模。通过量化测量结果与纳米机械模型的比较，他们成功地确定了异质界面处的力常数，为今后设计和优化范德瓦尔斯异质结构提供了理论指导。此外，他们还展示了单层WSe2在六方氮化硼中的应用，有效阻止了太赫兹声子的传输，从而为超宽带声学滤波器和调制器的开发奠定了基础。
科学亮点
（1）实验首次利用几层石墨烯作为超宽带声子换能器，成功将飞秒近红外脉冲转换为高达3 THz频谱内容的声子脉冲。
（2）同时，单层WSe2作为敏感传感器，利用其激子-声子耦合和强光-物质相互作用实现了高保真度的太赫兹声子检测。
（3）实验通过范德瓦尔斯异质结构堆叠，展示了灵活操控太赫兹声子的能力。作者成功制造了高品质因子的太赫兹声子腔，并通过检测入射机械波的响应，进行了类似于传统光谱学的太赫兹声子光谱学研究。
（4）此外，作者发现单层WSe2嵌入六方氮化硼中可以有效阻挡太赫兹声子传输，进一步揭示了范德瓦尔斯异质结构在声子工程中的潜力。
图文解读
图2：在六方氮化硼hexagonal boron nitridehBN中，声子传播速度的测定。图4： 太赫兹反射和透射光谱，以及一维质量-弹簧模型模拟。
结论展望
本文利用范德瓦尔斯异质结构平台成功实现了太赫兹频率下的声子工程，为声子学和光子学交叉领域开辟了新的可能性。通过精确控制原子薄层的集成和利用石墨烯等材料作为超宽带声子换能器，本研究不仅展示了宽带太赫兹声子的高效生成和灵敏检测能力，还揭示了在范德瓦尔斯异质结构中实现声子操控的潜力。这一工作不仅在声子学领域推动了超快声子控制和量子声子操作的进展，还为新型热材料的设计提供了理论和实验基础。 尤其是，太赫兹声子的超短波长和大能量带宽，使其在声学测距、声光调制和热传导控制等方面具有广泛应用潜力。此外，六方氮化硼中太赫兹声子的超高Q值更为未来实现太赫兹声子与可见光子之间的量子转换提供了新的路径。这些科学启迪不仅加深了对声子在纳米尺度下行为的理解，还为开发新一代声子电子器件和热管理技术奠定了坚实的基础。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
