研究人员在高技术相关频率下发现拓扑现象

发表在《自然电子学》上的新研究描述了集成声学电子系统在技术相关频率下的拓扑控制能力。这项工作为进一步研究使用高频声波的设备中的拓扑特性铺平了道路，其潜在应用包括 5G 通信和量子信息处理。该研究由 Charlie Johnson 实验室的博士后 Qicheng (Scott) Zhang 领导，与北京邮电大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的 Bozhen 及其同事合作。

这项研究建立在拓扑材料领域的概念之上，这是一个由宾夕法尼亚大学的 Charlie Kane 和 Eugene Mele 开发的理论框架。这种材料的一个例子是拓扑绝缘体，它在内部充当电绝缘体，但具有导电的表面。拓扑现象被假设发生在广泛的材料中，包括那些使用光波或声波而不是电的材料。

在这项研究中，张对研究拓扑声子晶体、使用声波的超材料或声子感兴趣。在这些晶体中，已知拓扑特性存在于兆赫范围的低频，但张想看看拓扑现象是否也可能出现在千兆赫范围的较高频率，因为这些频率对于电信应用(如 5G)的重要性。

为了研究这个复杂的系统，研究人员结合了最先进的方法和跨理论、模拟、纳米制造和实验测量的专业知识。首先，Zhen 实验室的研究人员在研究光波拓扑特性方面具有专业知识，他们进行了模拟以确定要制造的最佳设备类型。然后，根据模拟结果并使用宾夕法尼亚州辛格纳米技术中心的高精度工具，研究人员将纳米级电路蚀刻到氮化铝膜上。这些设备随后被运送到 UT Austin 的 Keji Lai 实验室进行微波阻抗显微镜检查，这种方法可以在非常小的尺度上捕获声波的高分辨率图像。来'

“在此之前，如果人们想看看这些材料发生了什么，他们通常需要去国家实验室并使用 X 射线，”赖说。“它非常繁琐、耗时且昂贵。但在我的实验室，它只是一个桌面设置，我们在大约 10 分钟内测量一个样本，并且灵敏度和分辨率比以前更好。”

这项工作的主要发现是实验证据表明拓扑现象确实发生在更高的频率范围内。“这项工作将拓扑概念引入了千兆赫声波，”张说。“我们证明了我们可以在有用的范围内拥有这种有趣的物理学，现在我们可以建立平台，进行更多有趣的研究。”

另一个重要的结果是，这些特性可以构建到设备的原子结构中，以便材料的不同区域可以以独特的方式传播信号，这些结果是理论家预测的，但在实验中“令人惊讶”，Johnson 说。“这也有其重要的含义：当你在没有这些拓扑效应的普通系统中沿着陡峭的轨迹传递波时，在每一个急转弯你都会失去一些东西，比如力量，但在这个你没有的系统，”他说。

总体而言，研究人员表示，这项工作为基础物理研究以及开发新设备和技术的进展提供了一个关键的起点。在短期内，研究人员有兴趣修改他们的设备以使其更加用户友好，并提高其在更高频率下的性能，包括用于量子信息处理等应用的频率。

“就技术影响而言，这可能会进入 5G 或更高版本的工具箱，”Johnson 说。“我们正在研究的基本技术已经在你的手机中，所以拓扑振动的问题是我们是否可以想出一种方法来在这些 5G 特有的更高频率范围内做一些有用的事情。”