納米力學研究獲系列進展

知識 07-13

近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的研究組在納米力學研究中取得系列進展，使用新方法在實驗上產生了超強非線性效應並實現非對稱的振動傳播，相關研究成果分別發表在《自然-通訊》（Nat. Commun.7:11517 (2016)）和《物理評論快報》（Phys.Rev.Lett.117, 017701 (2016)）上。

納米力學主要研究納米尺度物質的力學性質和動力學問題，有非常廣泛和重要的科研和應用價值。傳統的力學系統通常由牛頓力學描述，而納米力學可以實現傳統力學體系無法實現的功能和動力學特性，近年來受到了廣泛的關注。中國科大研究組最近完成的兩個工作，包括產生超強非線性效應和非對稱的振動傳播，實現了納米力學領域的重要進展，對未來該領域的基礎和應用研究起到了重要推動作用。

眾所周知，胡克定律是支配力學系統的重要規律，其可以表述為對於微小的形變，力學系統的響應是線性的。納米力學的一個最重要的研究目標就是產生強非線性效應，之前已經有大量的研究工作，利用諸如光-力相互作用、低維力學材料、超導電路等不同手段，在納米力學系統中產生了較為顯著的非線性效應。然而，其中標誌強非線性的主要現象——熱非線性區，尚未實現。

研究人員另闢蹊徑，首次提出了通過單個化學鍵與納米機械耦合產生非線性的新方法，並在實驗上加以實現，其非線性響應強度比之前報道的最高指標高出一萬倍，而且可大範圍精確調節。在此基礎上，研究人員首次觀測到由微弱布朗運動引起的雙穩態動力學，標誌著納米力學系統首次達到熱非線性區。該研究進展發表在5月26日的《自然-通訊》上。

超強非線性的產生對開展基於納米力學的宏觀量子效應的研究，以及實現諸如高頻引力波等極微弱力學信號的測量，都有著重要的意義。審稿人認為:「使用靈巧的設計解決了困擾該領域研究多年的核心問題」，「這一突破性的工作將開創基於同步過程的精密測量和信號調控、量子物理基本問題等研究的新方向」。

機械波是日常生活中最常見到的波，和電磁波類似，其波動方程滿足時間反演對稱性。正如光路可逆一樣，機械波的傳播也是可逆的，這一普遍存在的性質，其核心原因就是物質的微觀結果滿足時間反演對稱性。破壞波傳輸的對稱性，不僅可以用於研究特殊的拓撲效應，而且在實現高效隱身材料等應用方向有著潛在的價值。相關研究近年來在光、電、自旋波等領域都受到了廣泛關注，然而機械波的非對稱傳輸尚未實現。

研究人員在理論上構造出了一種新型的人工晶體，其「原子」間的相互作用受外界參數含時的調製，從而晶格的時間反演被破壞，併產生不再可逆的機械波傳輸。研究人員構造出一個由九個「原子」構成的晶體，並通過固態納米力學晶元加以實現，由於機械波對應於射頻波段，該工作也同時首次實現可編程射頻信號的非對稱傳輸。該研究進展發表在6月29日的《物理評論快報》上。

審稿人認為，「這個工作代表了領域內當前最高的技術水平，是在該領域研究和應用中邁出的重要一步」。

上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部和中科院的支持。

納米力學研究獲系列進展