研究人員在高技術相關頻率下發現拓撲現象

發表在《自然電子學》上的新研究描述了集成聲學電子系統在技術相關頻率下的拓撲控制能力。這項工作為進一步研究使用高頻聲波的設備中的拓撲特性鋪平了道路，其潛在應用包括 5G 通信和量子信息處理。該研究由 Charlie Johnson 實驗室的博士后 Qicheng (Scott) Zhang 領導，與北京郵電大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的 Bozhen 及其同事合作。

這項研究建立在拓撲材料領域的概念之上，這是一個由賓夕法尼亞大學的 Charlie Kane 和 Eugene Mele 開發的理論框架。這種材料的一個例子是拓撲絕緣體，它在內部充當電絕緣體，但具有導電的表面。拓撲現象被假設發生在廣泛的材料中，包括那些使用光波或聲波而不是電的材料。

在這項研究中，張對研究拓撲聲子晶體、使用聲波的超材料或聲子感興趣。在這些晶體中，已知拓撲特性存在于兆赫范圍的低頻，但張想看看拓撲現象是否也可能出現在千兆赫范圍的較高頻率，因為這些頻率對于電信應用(如 5G)的重要性。

為了研究這個復雜的系統，研究人員結合了最先進的方法和跨理論、模擬、納米制造和實驗測量的專業知識。首先，Zhen 實驗室的研究人員在研究光波拓撲特性方面具有專業知識，他們進行了模擬以確定要制造的最佳設備類型。然后，根據模擬結果并使用賓夕法尼亞州辛格納米技術中心的高精度工具，研究人員將納米級電路蝕刻到氮化鋁膜上。這些設備隨后被運送到 UT Austin 的 Keji Lai 實驗室進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'

“在此之前，如果人們想看看這些材料發生了什么，他們通常需要去國家實驗室并使用 X 射線，”賴說。“它非常繁瑣、耗時且昂貴。但在我的實驗室，它只是一個桌面設置，我們在大約 10 分鐘內測量一個樣本，并且靈敏度和分辨率比以前更好。”

這項工作的主要發現是實驗證據表明拓撲現象確實發生在更高的頻率范圍內。“這項工作將拓撲概念引入了千兆赫聲波，”張說。“我們證明了我們可以在有用的范圍內擁有這種有趣的物理學，現在我們可以建立平臺，進行更多有趣的研究。”

另一個重要的結果是，這些特性可以構建到設備的原子結構中，以便材料的不同區域可以以獨特的方式傳播信號，這些結果是理論家預測的，但在實驗中“令人驚訝”，Johnson 說。“這也有其重要的含義：當你在沒有這些拓撲效應的普通系統中沿著陡峭的軌跡傳遞波時，在每一個急轉彎你都會失去一些東西，比如力量，但在這個你沒有的系統，”他說。

總體而言，研究人員表示，這項工作為基礎物理研究以及開發新設備和技術的進展提供了一個關鍵的起點。在短期內，研究人員有興趣修改他們的設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用的頻率。

“就技術影響而言，這可能會進入 5G 或更高版本的工具箱，”Johnson 說。“我們正在研究的基本技術已經在你的手機中，所以拓撲振動的問題是我們是否可以想出一種方法來在這些 5G 特有的更高頻率范圍內做一些有用的事情。”