近日，東南大學儀器科學與工程學院的趙立業教授課題組研究了聲子超材料中的陀螺效應，并提出了一種基于聲子超材料中慢波的新型表面波陀螺儀，其增益系數提高430~1600倍。相關成果以“A novel gyroscope based on the slow surface acoustic wave in a phononic metamaterial”(一種基于聲子超材料中慢表面波的新型陀螺)為題發表在Nature旗下子刊《微系統與納米工程》(Microsystems & Nanoengineering)上。
 

　　陀螺儀是慣性導航系統的關鍵組成部分，其性能直接影響著系統的整體表現。尤其是在火箭發射、彈藥穿透、油田鉆探等極端工作環境下，陀螺儀面臨著高達20,000 g甚至200,000 g的極端過載條件，傳統的片上陀螺儀因存在三維可動結構而難以適應這些苛刻的工作環境。為應對這種極端環境下的角速度測量需求，無懸浮結構的全固態聲表面波陀螺被提出。然而，由于目前的聲表面波陀螺都是直接利用聲表面波作為科里奧利力的載體，其微弱的科里奧效應限制了自身的發展。
 

 

　　本研究另辟蹊徑，創新性地利用工作在回音壁模態下的聲子超材料作為科里奧效應的載體，首次研究了該聲子超材料的陀螺效應，并提出了一種新型聲表面波陀螺。結合理論建模和有限元仿真，研究發現旋轉使得回音壁能帶發生分裂并能夠調制能帶附近的表面波相速度；不同的旋轉方向將導致模態的手性對稱性與透射表面波的不對稱分布。與現有的相速度調制型陀螺相比，所提出的表面波陀螺的陀螺增益系數提高430~1600倍。這項工作跳出了直接調制表面波的傳統框架，凸顯出在極端條件下穩定且高性能工作的潛力。
 

　　趙立業教授為本文的通訊作者，其課題組的博士研究生葛飛為本文的第一作者。該工作受到國家自然科學基金和江蘇省重點研發計劃等項目的資助。