近日，中国科大杜江峰院士领导的研究组在纳米力学研究上取得系列重要进展，使用新方法在实验上产生了超强非线性效应并实现非对称的振动传播，相关研究成果分别发表在《自然-通讯》（Nat. Commun. 7:11517 (2016)）和《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett. 117, 017701 (2016)）上。
纳米力学主要研究纳米尺度物质的力学性质和动力学问题，有非常广泛和重要的科研和应用价值。传统的力学系统通常由牛顿力学描述，而纳米力学可以实现传统力学体系无法实现的功能和动力学特性，近年来受到了广泛的关注。科大研究组最近完成的两个工作，包括产生超强非线性效应和非对称的振动传播，实现了纳米力学领域的重要进展，对未来该领域的基础和应用研究起到了重要推动作用。
众所周知，胡克定律是支配力学系统的重要规律，其可以表述为对于微小的形变，力学系统的响应是线性的。纳米力学的一个最重要的研究目标就是产生强非线性效应，之前已经有大量的研究工作，利用诸如光-力相互作用、低维力学材料、超导电路等不同手段，在纳米力学系统中产生了较为显著的非线性效应。然而，其中标志强非线性的主要现象——热非线性区，尚未实现。
图1：单个化学键与纳米力学振子产生耦合，从而利用化学作用产生并调控非线性响应。
图2：布朗热运动诱发的双稳态动力学。
科大研究人员另辟蹊径，首次提出了通过单个化学键与纳米机械耦合产生非线性的新方法（图1），并在实验上加以实现，其非线性响应强度比之前报道的最高指标高出一万倍，而且可大范围精确调节。在此基础上，研究人员首次观测到有微弱布朗运动引起的双稳态动力学（图2），标志着纳米力学系统首次达到热非线性区。该工作被审稿人认为是 “使用灵巧的设计解决了困扰该领域研究多年的核心问题（the authors introduce an ingenious alternative to resolve this outstanding problem）”，“这一突破性的工作将开创基于同步过程的精密测量和信号调控、量子物理基本问题等研究的新方向（This groundbreaking work may open new directions for synchronisation-based sensors, signal-processing devices, and fundamental studies of quantum physics.）”。此外超强非线性的产生对开展基于纳米力学的宏观量子效应的研究，以及实现诸如高频引力波等极微弱力学信号的测量，都有着重要的意义。该工作发表在5月26号的《自然-通讯》（Nat. Commun. 7:11517 (2016)）上。
机械波是我们日常生活中最常见到的波，和电磁波类似，其波动方程满足时间反演对称性。正如光路可逆一样，机械波的传播也是可逆的，这一普遍存在的性质，其核心原因就是物质的微观结果满足时间反演对称性。破坏波传输的对称性，不仅可以用于研究特殊的拓扑效应，而且在实现高效隐身材料等应用方向有着潜在的价值。相关研究近年来在光、电、自旋波等体系都受到了广泛关注，然而机械波的非对称传输尚未实现。
图3：一维人工晶体，和传统的晶体不同，人工晶体中的“原子”之间可以产生任意含时的相互作用，从而能够破坏时间反演对称性。
图4：在一块远小于波长数十万倍的硅基芯片上，由纳米力学振子构造出由九个“原子”构成的可编程人工晶格。
图5：非对称的振动信号传输以及传输特性的编程控制
研究人员在理论上构造出了一种新型的人工晶体，其“原子”间的相互作用受外界参数含时的调制，从而晶格的时间反演被破坏，并产生不再可逆的机械波传输。研究人员构造出一个由九个“原子”构成的晶体（见图3），并通过固态纳米力学芯片加以实现（图4），由于机械波对应于射频波段，该工作也同时首次实现可编程射频信号的非对称传输（图5）。审稿人认为，“这个工作代表了领域内当前最高的技术水平，是在该领域研究和应用中迈出的重要一步”。该工作发表在6月29号的《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett. 117, 017701 (2016)）上。
上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部和中国科学院的支持。
（量子信息与量子科技前沿创新中心）