近日，东南大学仪器科学与工程学院赵立业教授课题组研究了声子超材料中的陀螺效应，并提出了一种基于声子超材料中慢波的新型表面波陀螺仪，其增益系数提高430~1600倍。相关成果以“A novel gyroscope based on the slow surface acoustic wave in a phononic metamaterial”（一种基于声子超材料中慢表面波的新型陀螺）为题发表在Nature旗下子刊《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）上。
陀螺仪是惯性导航系统的关键组成部分，其性能直接影响着系统的整体表现。尤其是在火箭发射、弹药穿透、油田钻探等极端工作环境下，陀螺仪面临着高达20,000 g甚至200,000 g的极端过载条件，传统的片上陀螺仪因存在三维可动结构而难以适应这些苛刻的工作环境。为应对这种极端环境下的角速度测量需求，无悬浮结构的全固态声表面波陀螺被提出。然而，由于目前的声表面波陀螺都是直接利用声表面波作为科里奥利力的载体，其微弱的科里奥效应限制了自身的发展。
本研究另辟蹊径，创新性地利用工作在回音壁模态下的声子超材料作为科里奥效应的载体，首次研究了该声子超材料的陀螺效应，并提出了一种新型声表面波陀螺。结合理论建模和有限元仿真，研究发现旋转使得回音壁能带发生分裂并能够调制能带附近的表面波相速度；不同的旋转方向将导致模态的手性对称性与透射表面波的不对称分布。与现有的相速度调制型陀螺相比，所提出的表面波陀螺的陀螺增益系数提高430~1600倍。这项工作跳出了直接调制表面波的传统框架，凸显出在极端条件下稳定且高性能工作的潜力。
赵立业教授为本文的通讯作者，其课题组的博士研究生葛飞为本文的第一作者。该工作受到国家自然科学基金和江苏省重点研发计划等项目的资助。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00787-1
