發(fā)表在《自然電子學(xué)》上的新研究描述了集成聲學(xué)電子系統(tǒng)在技術(shù)相關(guān)頻率下的拓?fù)淇刂颇芰?。這項(xiàng)工作為進(jìn)一步研究使用高頻聲波的設(shè)備中的拓?fù)涮匦凿伷搅说缆罚錆撛趹?yīng)用包括 5G 通信和量子信息處理。該研究由 Charlie Johnson 實(shí)驗(yàn)室的博士后 Qicheng (Scott) Zhang 領(lǐng)導(dǎo)，與北京郵電大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Bozhen 及其同事合作。

這項(xiàng)研究建立在拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的概念之上，這是一個(gè)由賓夕法尼亞大學(xué)的 Charlie Kane 和 Eugene Mele 開(kāi)發(fā)的理論框架。這種材料的一個(gè)例子是拓?fù)浣^緣體，它在內(nèi)部充當(dāng)電絕緣體，但具有導(dǎo)電的表面。拓?fù)洮F(xiàn)象被假設(shè)發(fā)生在廣泛的材料中，包括那些使用光波或聲波而不是電的材料。

在這項(xiàng)研究中，張對(duì)研究拓?fù)渎曌泳w、使用聲波的超材料或聲子感興趣。在這些晶體中，已知拓?fù)涮匦源嬖谟谡缀辗秶牡皖l，但張想看看拓?fù)洮F(xiàn)象是否也可能出現(xiàn)在千兆赫范圍的較高頻率，因?yàn)檫@些頻率對(duì)于電信應(yīng)用(如 5G)的重要性。

為了研究這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，研究人員結(jié)合了最先進(jìn)的方法和跨理論、模擬、納米制造和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的專業(yè)知識(shí)。首先，Zhen 實(shí)驗(yàn)室的研究人員在研究光波拓?fù)涮匦苑矫婢哂袑I(yè)知識(shí)，他們進(jìn)行了模擬以確定要制造的最佳設(shè)備類型。然后，根據(jù)模擬結(jié)果并使用賓夕法尼亞州辛格納米技術(shù)中心的高精度工具，研究人員將納米級(jí)電路蝕刻到氮化鋁膜上。這些設(shè)備隨后被運(yùn)送到 UT Austin 的 Keji Lai 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微波阻抗顯微鏡檢查，這種方法可以在非常小的尺度上捕獲聲波的高分辨率圖像。來(lái)'

“在此之前，如果人們想看看這些材料發(fā)生了什么，他們通常需要去國(guó)家實(shí)驗(yàn)室并使用 X 射線，”賴說(shuō)。“它非常繁瑣、耗時(shí)且昂貴。但在我的實(shí)驗(yàn)室，它只是一個(gè)桌面設(shè)置，我們?cè)诖蠹s 10 分鐘內(nèi)測(cè)量一個(gè)樣本，并且靈敏度和分辨率比以前更好。”

這項(xiàng)工作的主要發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明拓?fù)洮F(xiàn)象確實(shí)發(fā)生在更高的頻率范圍內(nèi)。“這項(xiàng)工作將拓?fù)涓拍钜肓饲д缀章暡ǎ?rdquo;張說(shuō)。“我們證明了我們可以在有用的范圍內(nèi)擁有這種有趣的物理學(xué)，現(xiàn)在我們可以建立平臺(tái)，進(jìn)行更多有趣的研究。”

另一個(gè)重要的結(jié)果是，這些特性可以構(gòu)建到設(shè)備的原子結(jié)構(gòu)中，以便材料的不同區(qū)域可以以獨(dú)特的方式傳播信號(hào)，這些結(jié)果是理論家預(yù)測(cè)的，但在實(shí)驗(yàn)中“令人驚訝”，Johnson 說(shuō)。“這也有其重要的含義：當(dāng)你在沒(méi)有這些拓?fù)湫?yīng)的普通系統(tǒng)中沿著陡峭的軌跡傳遞波時(shí)，在每一個(gè)急轉(zhuǎn)彎你都會(huì)失去一些東西，比如力量，但在這個(gè)你沒(méi)有的系統(tǒng)，”他說(shuō)。

總體而言，研究人員表示，這項(xiàng)工作為基礎(chǔ)物理研究以及開(kāi)發(fā)新設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)展提供了一個(gè)關(guān)鍵的起點(diǎn)。在短期內(nèi)，研究人員有興趣修改他們的設(shè)備以使其更加用戶友好，并提高其在更高頻率下的性能，包括用于量子信息處理等應(yīng)用的頻率。

“就技術(shù)影響而言，這可能會(huì)進(jìn)入 5G 或更高版本的工具箱，”Johnson 說(shuō)。“我們正在研究的基本技術(shù)已經(jīng)在你的手機(jī)中，所以拓?fù)湔駝?dòng)的問(wèn)題是我們是否可以想出一種方法來(lái)在這些 5G 特有的更高頻率范圍內(nèi)做一些有用的事情。”