Новое совместное исследование, проведенное исследователями из Университета Пенсильвании, демонстрирует возможности топологического контроля в акустической системе с последствиями для таких приложений, как связь 5G и квантовая обработка информации.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Electronics, описывает возможности топологического управления в интегрированной акустико-электронной системе на технологически значимых частотах. Эта работа прокладывает путь к дополнительным исследованиям топологических свойств устройств, использующих высокочастотные звуковые волны, с потенциальными приложениями, включая связь 5G и квантовую обработку информации. Исследование возглавил Цичэн (Скотт) Чжан, постдоктор в лаборатории Чарли Джонсона в Пенсильванском университете, в сотрудничестве с группой Бо Чжэня и коллег из Пекинского университета почты и телекоммуникаций и Техасского университета в Остине.
Это исследование основано на концепциях из области топологических материалов, теоретической основе, разработанной Чарли Кейном и Юджином Меле. Одним из примеров этого типа материала является топологический изолятор, который действует как электрический изолятор внутри, но имеет поверхность, проводящую электричество. Предполагается, что топологические явления происходят в широком диапазоне материалов, включая те, в которых вместо электричества используются световые или звуковые волны.
В этом исследовании Чжан интересовался изучением топологических фононных кристаллов, метаматериалов, использующих акустические волны или фононы. Известно, что в этих кристаллах существуют топологические свойства на низких частотах в мегагерцовом диапазоне, но Чжан хотел посмотреть, могут ли топологические явления также возникать на более высоких частотах в гигагерцовом диапазоне из-за важности этих частот для телекоммуникационных приложений, таких как 5G.
Чтобы изучить эту сложную систему, исследователи объединили самые современные методологии и опыт в области теории, моделирования, нанопроизводства и экспериментальных измерений. Во-первых, исследователи из лаборатории Чжэнь, имеющие опыт изучения топологических свойств световых волн, провели моделирование, чтобы определить лучшие типы устройств для изготовления. Затем, основываясь на результатах моделирования и используя высокоточные инструменты в Пенсильванском центре нанотехнологий имени Сингха, исследователи выгравировали наноразмерные схемы на мембранах из нитрида алюминия. Затем эти устройства были отправлены в лабораторию Кеджи Лай в UT Austin для микроскопии микроволнового импеданса — метода, позволяющего получать изображения акустических волн с высоким разрешением в невероятно малых масштабах.
«До этого, если люди хотели увидеть, что происходит в этих материалах, им обычно нужно пойти в национальную лабораторию и использовать рентгеновские лучи», — говорит Лай. «Это очень утомительно, долго и дорого. Но в моей лаборатории это просто настольная установка, и мы измеряем образец примерно за 10 минут, а чувствительность и разрешение лучше, чем раньше».
Ключевым выводом этой работы являются экспериментальные данные, показывающие, что топологические явления действительно происходят в более высоких частотных диапазонах. «Эта работа привносит концепцию топологии в гигагерцовые акустические волны», — говорит Чжан. «Мы продемонстрировали, что можем использовать эту интересную физику в удобном диапазоне, и теперь мы можем создать платформу для более интересных исследований».
Другой важный результат заключается в том, что эти свойства могут быть встроены в атомарную структуру устройства, так что различные области материала могут распространять сигналы уникальными способами, результаты, которые были предсказаны теоретиками, но были «удивительны» для экспериментального наблюдения, говорит Джонсон. «Это также имеет свои важные последствия: когда вы проводите волну по резкому следу в обычных системах, которые не имеют этого топологического эффекта, на каждом крутом повороте вы будете что-то терять, например, мощность, но в этом система, которую вы не знаете», — говорит он.
В целом, исследователи говорят, что эта работа является важной отправной точкой для прогресса как в исследованиях фундаментальной физики, так и в разработке новых устройств и технологий. В ближайшем будущем исследователи заинтересованы в модификации своего устройства, чтобы сделать его более удобным для пользователя и повысить его производительность на более высоких частотах, включая частоты, которые используются для таких приложений, как квантовая обработка информации.
«С точки зрения технологических последствий это то, что может попасть в набор инструментов для 5G или более поздних версий», — говорит Джонсон. «Основная технология, над которой мы работаем, уже есть в вашем телефоне, поэтому вопрос с топологическими вибрациями заключается в том, можем ли мы придумать способ сделать что-то полезное в этих более высоких частотных диапазонах, характерных для 5G».
