賓夕法尼亞大學的研究人員領(lǐng)導的一項新的合作研究證明了聲學系統(tǒng)中的拓撲控制能力，對5G通信和量子信息處理等應(yīng)用有影響。發(fā)表在《自然-電子學》上的新研究描述了在技術(shù)上相關(guān)的頻率下一個集成的聲學-電子系統(tǒng)的拓撲控制能力。這項工作為使用高頻聲波的設(shè)備中的拓撲特性的額外研究創(chuàng)造了條件，其潛在的應(yīng)用包括5G通信和量子信息處理。

　　這項研究由賓夕法尼亞大學Charlie Johnson實驗室的博士后Zhang Qicheng（Scott）領(lǐng)導，并與北京郵電大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的Zhen Bo及其同事合作。

　　這項研究建立在拓撲材料領(lǐng)域的概念之上，這是賓夕法尼亞大學的查理-凱恩和尤金-梅勒開發(fā)的一個理論框架。這種類型的材料的一個例子是拓撲絕緣體，它在內(nèi)部充當電絕緣體，但有一個表面可以導電。據(jù)推測，拓撲現(xiàn)象會發(fā)生在廣泛的材料中，包括那些使用光或聲波而不是電的材料。

　　在這項研究中，Zhang對研究拓撲聲子晶體、使用聲波或聲子的超材料感興趣。在這些晶體中，已知拓撲特性存在于兆赫茲范圍內(nèi)的低頻，但Zhang想觀察拓撲現(xiàn)象是否也可能發(fā)生在千兆赫茲范圍內(nèi)的高頻，因為這些頻率對5G等電信應(yīng)用非常重要。

　　為了研究這個復雜的系統(tǒng)，研究人員結(jié)合了最先進的方法和專業(yè)知識，包括理論、模擬、納米制造和實驗測量。首先，實驗室的研究人員在研究光波的拓撲特性方面具有專長，他們進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，研究人員將納米級電路蝕刻在氮化鋁膜上。這些設(shè)備隨后被運到UT Austin的Keji Lai實驗室進行微波阻抗顯微鏡檢查，這種方法可以在難以置信的小范圍內(nèi)捕捉到高分辨率的聲波圖像。Lai的方法使用了一個商業(yè)原子力顯微鏡，并由他的實驗室開發(fā)了修改和額外的電子設(shè)備。

　　"在這之前，如果人們想看看這些材料中發(fā)生了什么，他們通常需要去一個國家實驗室并使用X射線，"Lai說。"這非常繁瑣，耗時，而且昂貴。但是在我的實驗室，這只是一個桌面設(shè)置，我們在大約10分鐘內(nèi)就能測量一個樣品，而且靈敏度和分辨率都比以前好。"

　　這項工作的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是實驗證據(jù)表明，拓撲現(xiàn)象事實上在更高的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。"這項工作將拓撲學的概念帶到了千兆赫茲聲波中，"Zhang說。"我們證明了我們可以在一個有用的范圍內(nèi)擁有這種有趣的物理學，現(xiàn)在我們可以為今后更多有趣的研究建立起平臺。"

　　另一個重要的結(jié)果是，這些特性可以建立在設(shè)備的原子結(jié)構(gòu)中，這樣材料的不同區(qū)域可以以獨特的方式傳播信號，這些結(jié)果是理論家所預(yù)測的，但在實驗中看到的卻是"驚人的"，Johnson說。"這也有它自己的重要意義。他說："當你在沒有這些拓撲效應(yīng)的普通系統(tǒng)中沿著尖銳的線索傳達一個波時，在每一個急轉(zhuǎn)彎處都會失去一些，比如功率，但在這個系統(tǒng)中不會。"

　　總的來說，這項工作為基礎(chǔ)物理研究以及開發(fā)新設(shè)備和技術(shù)的進展提供了一個關(guān)鍵的起點。在短期內(nèi)，研究人員有興趣修改他們的設(shè)備，使其更容易使用，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，這是一個可以進入5G或更遠的工具箱里的技術(shù)，"約翰遜說。"我們正在研究的基本技術(shù)已經(jīng)在你的手機里了，所以拓撲振動的問題是我們是否能想出一種方法，在5G所特有的這些更高的頻率范圍內(nèi)做一些更有用的事情。"