當楊氏雙縫遇上各向異性晶體：GHz表面聲波的奇特干涉圖樣

楊氏雙縫實驗是物理學中最精妙、最基礎的演示之一，它揭示了光的波動性。它的核心在于源自兩個不同點源的相干波的疊加，從而產生一個獨特的、可預測的干涉圖樣。然而，當這個經典實驗從光學領域轉化到表面聲波（SAWs）領域，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，一個至關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工作代表了一個重大進步，它將經典的波動實驗帶入了固態物理學和先進材料科學的復雜性之中，并提供了一個探索非各向同性介質中波動現象的有力工具。

從各向同性的光到各向異性的聲

在人們熟悉的光學雙縫實驗中，光通過一個實際上各向同性的介質（空氣或真空）傳播。這意味著波的相速度與傳播方向無關。由此產生的干涉圖樣是幾何上簡單的，條紋遵循由光程差ΔL=dsinθ導出的標準公式，其中d是狹縫間距，θ是與中心的夾角。

GHz SAWs在GaAs上的環境則從根本上不同。GaAs是一種具有閃鋅礦晶格結構的壓電晶體。這種晶體結構決定了其力學和電學特性是強烈的各向異性。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）之間的關系不再必然平行，從而導致一種被稱為聲束轉向或聲波走離的現象。

SAW雙縫實驗的核心獨創性在于成功地在微米和納米尺度上制造并觀察了這種現象，其中SAW的波長處于微米量級（對于GHz頻率而言）。該實驗直接展示了各向異性惠更斯-菲涅耳原理，其中波前的每個點都充當次級波源，但在這里，這些次級波的速度取決于它們的方向。

實驗實現：納米制造的勝利

用GHz SAWs進行雙縫實驗需要克服在這些高頻率和小波長下與波的產生、制造和探測相關的巨大技術挑戰。

• SAW的產生和狹縫的制造

相干的SAWs是利用叉指換能器（IDT）通過逆壓電效應在電學上產生的。通過向IDT的金屬指施加射頻（RF）電壓，一種周期性的機械應變（即SAW）被發射到GaAs表面。波的頻率通常在1 GHz左右，對應于幾微米的波長。

雙縫結構本身不像光學裝置中的物理開口，而是使用高精度技術（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，形成了兩個狹窄的、相干驅動的次級聲源，類似于光學實驗中的狹縫。這些狹縫相對于晶軸的精確尺寸和對齊方式對于觀察各向異性效應至關重要。

• 高分辨率探測和濾波

也許最重大的技術挑戰是SAW位移場的探測。SAW表面振動的振幅通常只有幾十皮米的量級。這種微小的面外位移是使用高度靈敏的技術——通常是光學掃描干涉儀——來測量的。

為了從原始測量數據中提取干凈的二維干涉圖樣，需要采用復雜的信號處理技術。將空間傅里葉濾波技術應用于測量的復數聲場（包括振幅和相位信息）。這個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、反射和體聲波，從而獲得了清晰的、亞微米分辨率的SAW場圖像。

各向異性干涉圖樣

實驗結果生動地證明了GaAs的各向異性對干涉圖樣的影響，使其與經典的楊氏光學結果截然不同。

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

測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，驗證了在復雜晶體環境中建模波傳播的框架。測量結果不僅揭示了預期的雙縫干涉，還揭示了近場效應和高階衍射特征，為波動物理學提供了一組豐富的數據。

對納米電子學和聲子學的影響

這項工作超越了對經典實驗的純粹學術性重新構想。它對快速發展的聲子學領域和納米電子器件的設計具有深遠的意義。

• 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）電子學中的關鍵材料。SAWs已廣泛應用于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，為微型片上元件提供了一個新的設計參數。
• 電荷載流子控制：表面聲波是調節半導體表面應變和壓電勢的有力工具。這種調制可用于在相鄰的量子結構中傳輸或限制電荷載流子（電子或激子），這一領域被稱為聲電子學。利用各向異性效應來轉向聲束和重塑其聲場的能力，提供了一種新穎的機制，可以在芯片上以特定的、定制設計的圖案來引導或定位電荷載流子。
• 聲子電路： 通過利用各向異性的效應，可以設想創建聲子集成電路——類似于光子或電子電路的聲學等效物——其中聲學信號的路徑和強度得到精確的工程設計。這可能會催生利用高頻表面波相干、受限特性的新型傳感器、信號處理元件和量子信息平臺。

總之，各向異性GHz SAWs在砷化鎵上成功演示楊氏雙縫實驗，代表了經典波動物理學與現代固態技術的引人注目的結合點。它突出表明，在先進的材料系統中，波的傳播不是一個簡單的、均勻的現象，而是受晶體對稱性支配的復雜相互作用。通過精確測量由此產生的扭曲干涉圖樣，研究人員獲得了一個強大的工具來驗證各向異性介質中的波動物理模型，更重要的是，獲得了一個在芯片上轉向、聚焦和控制機械能的新設計原則——這一發展有望開啟下一代高頻聲電和聲子器件。