拓撲材料使電子沿著其表面和邊緣移動而不產(chǎn)生任何損失，使它們成為無耗散、高效率電子器件的理想材料。研究人員對使用這些材料作為晶體管特別感興趣，而晶體管是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的支柱。但有一個問題：晶體管可以開關(guān)電流，但很難關(guān)閉拓撲材料中無耗散的電子流。
現(xiàn)在，哈佛大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計并模擬了第一個拓撲聲學(xué)晶體管——用聲波代替電子——并提出了一種連接結(jié)構(gòu)來形成一個通用邏輯門，可以開關(guān)聲音流。
“自從2007年左右拓撲材料問世以來，人們對開發(fā)一種拓撲電子晶體管產(chǎn)生了很大的興趣，”哈佛大學(xué)物理系教授Jenny Hoffman說。“雖然我們使用的材料不會產(chǎn)生電子拓撲晶體管，但我們的一般設(shè)計過程適用于量子材料和光子晶體，這帶來了電子和光學(xué)等效物可能很快就會出現(xiàn)的希望。”
通過使用聲學(xué)拓撲絕緣體，研究人員能夠避開復(fù)雜的量子力學(xué)的電子拓撲絕緣體。
為了打開聲晶體管，到達“門”輸入的超聲波加熱并擴展基板，改變大小略有不同的柱子的兩個晶格的間距，并誘導(dǎo)拓撲過渡，引導(dǎo)聲音沿界面移動。
“聲波方程是完全可解的，這讓我們可以從數(shù)值上找到合適的材料組合，來設(shè)計一種拓撲聲波波導(dǎo)，加熱時打開，冷卻時關(guān)閉，”Harris Pirie說。
研究人員將蜂窩狀的鋼柱固定在高熱膨脹板上，并密封在一個密封的盒子里。格子的一半有稍大的柱子，另一半有稍小的柱子。這些柱子大小和間距的差異決定了晶格的拓撲結(jié)構(gòu)，以及聲波是否可以沿著指定的通道傳播。研究人員隨后設(shè)計了第二種設(shè)備，可以將超聲波轉(zhuǎn)化為熱量。
熱使柱狀晶格膨脹，改變了波導(dǎo)的拓撲結(jié)構(gòu)。當(dāng)這兩個器件耦合在一起時，一個波導(dǎo)的輸出可以控制下一個波導(dǎo)的狀態(tài)，就像傳統(tǒng)晶體管中的電子可以切換其他晶體管一樣。
蜂窩晶格，可以使用SMA線圈快速膨脹，創(chuàng)造高熱膨脹系數(shù)
這些聲學(xué)拓撲開關(guān)是可擴展的，這意味著與厘米級超聲波頻率相同的設(shè)計也可以在亞毫米級和通常用于傳輸表面聲波的頻率上工作，這可能有助于克服集成聲子電路的局限性。
Pirie說：“拓撲保護的聲傳輸控制在許多重要領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括有效的降噪、單向聲傳播、超聲波成像、回聲定位、聲隱身和聲通信。”
“與量子力學(xué)系統(tǒng)不同，聲學(xué)超材料是直接的、有形的和直觀的。它們?yōu)槟蹜B(tài)物理的前沿課題提供了一個切入點，包括拓撲絕緣體。”Hoffman說。
