微纳信息器件除了光子器件之外，也有可能开发出声子器件。与光子类似，声子的有效操控也是设计与实现信息器件的关键。然而，受限于其电中性和零自旋的基本性质，声子的有效操控手段非常有限。最近，新量子物理概念，包括Berry相、拓扑和赝自旋等，被引入到声子系统的研究中，它们提供了控制声子的全新的量子自由度，开辟了一个新兴的研究领域---“拓扑声子学”。 我们介绍了声子的Berry相位、拓扑和赝自旋等基本物理概念，综述了不同空间维度的多种拓扑声子态及其最新研究进展，包括一维声子Su-Schrieffer-Heeger(SSH)态、二维类量子反常霍尔态、类量子谷霍尔态和类量子自旋霍尔态，以及三维声子拓扑绝缘体、拓扑半金属(如拓扑外尔、拓扑节线等半金属态)。既介绍了这些拓扑声子态的基本物理模型，同时综述了它们在各类实际材料体系中的实验实现，介绍了拓扑声子态的潜在应用，并对未来拓扑声子学的发展作出展望。相关工作发表在Adv. Funct. Mater.上。
图1 各种维度下的拓扑声子学。
除了作为热流载体之外，声子也可以携带信息。但是由于声子没有自旋和电荷，因此难以携带信息。我们提出，可以利用声子的谷自由度来设计声子学微纳信息器件。558晶界由于对称性较高，是实验生长中常见的晶界类型，因此其对电子的选择透过性得到了大量的研究。计算发现，558晶界对声子流同样有选择通过性——不同谷的声子透射率不同。这样，人们可以利用晶界的透射选择性来实现谷极化的声子流。我们发现，选择性透射的原因可以归结于声子色散本身的各向异性。我们还发现了类法诺共振现象，即对一些声子模式而言，其在一些特定角度上会出现共振增强或减弱的透射现象。相关工作发表在Physical Review B上。
图2 (a) 石墨烯声子能带中的“谷”自由度； (b) 石墨烯声子通过558晶界表现出依赖于谷的透射性质。
微纳信息器件需集成于微纳尺度的低维材料上。众所周知，无论是分子束外延法还是化学气相沉积法，生成出来的低维材料都难免有各种各样的晶界。这些晶界对于器件的散热是不利的，但是人们对其影响的大小及作用机制都还不清楚。我们利用分子动力学和格林函数方法，对二维多晶MoS2进行了系统的研究。计算表明MoS2的各类晶界的晶界热阻在6.4-35.3 *108 W/m2K之间。热阻的大小和晶界与MoS2晶格之间的振动态密度的重合部分大小相关，也与晶界能的大小有关。我们发现晶界对2 THz以上的声子有强烈的散射作用，并伴随着产生了显著的声子局域化效应和声子群速度的降低。另外，通过将多晶MoS2的结果与不同的理论模型作对比，我们发现Casimir模型不再适用，必须将晶界的声子动力学细节考虑在内以精确描述多晶材料的声子输运。我们的工作对微纳信息器件的实际应用有一定的指导作用。相关工作发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
图3 MoS2晶界对其热输运性质有显著影响
