在硅晶片上形成的微图案，肉眼几乎看不见。图片来源：瑞士苏黎世联邦理工学院
一种看似普通的超薄硅膜，如今却能像“交通指挥员”一样，引导振动沿指定路线传播，甚至让机械波拐弯、分流、绕圈。瑞士苏黎世联邦理工学院研究团队开发出一种新型声子超材料，可精确控制机械波传播方向，为无需供电的机械计算、振动能量采集及新型芯片控制技术开辟了新路径。相关成果发表于最新一期《自然·通讯》杂志。
超材料在微观尺度上拥有经过精密设计的特殊结构，因此具备原始材料本身并不拥有的机械或物理特性。通常情况下，当一块金属板受到敲击时，振动会像水面波纹一样向四周扩散。但如果材料内部拥有精心设计的结构，波动就能被重新“规划路线”。
研究团队正是利用了这一原理。他们采用一层极薄的硅膜，并通过光刻与刻蚀技术，在其表面制造出无数微小孔洞，形成特殊图案。这一图案由数百万个重复的方形单元组成，每个小方格中心都带有四角星结构，而且并非完全一致，而是会逐渐变化，例如星形结构“手臂”的长度会发生细微改变。
研究团队利用计算模型生成这些图案，并模拟机械波进入结构后的传播路径。他们将这种超材料设计比作“拼图”。不同“拼图块”承担不同功能，有的负责让波转弯，有的则根据频率把波分流到不同方向。通过组合这些模块，可让机械波按照预设路线传播，甚至形成“8”字形轨迹。
实验中，研究团队利用激光脉冲让硅膜振动，再通过光学测量技术实时追踪波动传播。结果显示，机械波确实能够沿预先设计好的路径稳定传播。
该结构并不仅适用于单一频率。尽管系统最初是针对750千赫振动设计，但实验显示，它在约250千赫至800千赫范围内都能有效工作。这种新型声子超材料未来有望用于微电子与纳米电子领域，也可能用于无需电源的机械信号处理系统和振动能量采集装置。
