近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導的研究組在納米力學(xué)研究中取得系列進(jìn)展，使用新方法在實(shí)驗上產(chǎn)生了超強非線(xiàn)性效應并實(shí)現非對稱(chēng)的振動(dòng)傳播，相關(guān)研究成果分別發(fā)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(xué)主要研究納米尺度物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，有非常廣泛和重要的科研和應用價(jià)值。傳統的力學(xué)系統通常由牛頓力學(xué)描述，而納米力學(xué)可以實(shí)現傳統力學(xué)體系無(wú)法實(shí)現的功能和動(dòng)力學(xué)特性，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。中國科大研究組最近完成的兩個(gè)工作，包括產(chǎn)生超強非線(xiàn)性效應和非對稱(chēng)的振動(dòng)傳播，實(shí)現了納米力學(xué)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，對未來(lái)該領(lǐng)域的基礎和應用研究起到了重要推動(dòng)作用。
眾所周知，胡克定律是支配力學(xué)系統的重要規律，其可以表述為對于微小的形變，力學(xué)系統的響應是線(xiàn)性的。納米力學(xué)的一個(gè)最重要的研究目標就是產(chǎn)生強非線(xiàn)性效應，之前已經(jīng)有大量的研究工作，利用諸如光-力相互作用、低維力學(xué)材料、超導電路等不同手段，在納米力學(xué)系統中產(chǎn)生了較為顯著(zhù)的非線(xiàn)性效應。然而，其中標志強非線(xiàn)性的主要現象——熱非線(xiàn)性區，尚未實(shí)現。
研究人員另辟蹊徑，首次提出了通過(guò)單個(gè)化學(xué)鍵與納米機械耦合產(chǎn)生非線(xiàn)性的新方法，并在實(shí)驗上加以實(shí)現，其非線(xiàn)性響應強度比之前報道的最高指標高出一萬(wàn)倍，而且可大范圍精確調節。在此基礎上，研究人員首次觀(guān)測到由微弱布朗運動(dòng)引起的雙穩態(tài)動(dòng)力學(xué)，標志著(zhù)納米力學(xué)系統首次達到熱非線(xiàn)性區。該研究進(jìn)展發(fā)表在5月26日的《自然-通訊》上。
超強非線(xiàn)性的產(chǎn)生對開(kāi)展基于納米力學(xué)的宏觀(guān)量子效應的研究，以及實(shí)現諸如高頻引力波等極微弱力學(xué)信號的測量，都有著(zhù)重要的意義。審稿人認為:“使用靈巧的設計解決了困擾該領(lǐng)域研究多年的核心問(wèn)題”，“這一突破性的工作將開(kāi)創(chuàng )基于同步過(guò)程的精密測量和信號調控、量子物理基本問(wèn)題等研究的新方向”。
機械波是日常生活中最常見(jiàn)到的波，和電磁波類(lèi)似，其波動(dòng)方程滿(mǎn)足時(shí)間反演對稱(chēng)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(zhì)，其核心原因就是物質(zhì)的微觀(guān)結果滿(mǎn)足時(shí)間反演對稱(chēng)性。破壞波傳輸的對稱(chēng)性，不僅可以用于研究特殊的拓撲效應，而且在實(shí)現高效隱身材料等應用方向有著(zhù)潛在的價(jià)值。相關(guān)研究近年來(lái)在光、電、自旋波等領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注，然而機械波的非對稱(chēng)傳輸尚未實(shí)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(shí)的調制，從而晶格的時(shí)間反演被破壞，并產(chǎn)生不再可逆的機械波傳輸。研究人員構造出一個(gè)由九個(gè)“原子”構成的晶體，并通過(guò)固態(tài)納米力學(xué)芯片加以實(shí)現，由于機械波對應于射頻波段，該工作也同時(shí)首次實(shí)現可編程射頻信號的非對稱(chēng)傳輸。該研究進(jìn)展發(fā)表在6月29日的《物理評論快報》上。
審稿人認為，“這個(gè)工作代表了領(lǐng)域內當前最高的技術(shù)水平，是在該領(lǐng)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(xué)基金委、科技部、教育部和中科院的支持。
圖1：?jiǎn)蝹€(gè)化學(xué)鍵與納米力學(xué)振子產(chǎn)生耦合，從而利用化學(xué)作用產(chǎn)生并調控非線(xiàn)性響應。
圖2：布朗熱運動(dòng)誘發(fā)的雙穩態(tài)動(dòng)力學(xué)
圖3：一維人工晶體，和傳統的晶體不同，人工晶體中的“原子”之間可以產(chǎn)生任意含時(shí)的相互作用，從而能夠破壞時(shí)間反演對稱(chēng)性
圖4：在一塊遠小于波長(cháng)數十萬(wàn)倍的硅基芯片上，由納米力學(xué)振子構造出由九個(gè)“原子”構成的可編程人工晶格
圖5：非對稱(chēng)的振動(dòng)信號傳輸以及傳輸特性的編程控制
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