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发表于 2022-1-21
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哈佛大学宣布设计了第一个拓扑声学晶体管
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拓扑材料使电子沿着其表面和边缘移动而不产生任何损失，使它们成为无耗散、高效率电子器件的理想材料。研究人员对使用这些材料作为晶体管特别感兴趣，而晶体管是所有现代电子产品的支柱。但有一个问题：晶体管可以开关电流，但很难关闭拓扑材料中无耗散的电子流。
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现在，哈佛大学的研究人员已经设计并模拟了第一个拓扑声学晶体管——用声波代替电子——并提出了一种连接结构来形成一个通用逻辑门，可以开关声音流。* _$ k& O& l5 C) b, _5 l- @* ?
8 i# y( o l4 ?& [% O9 N' l“自从2007年左右拓扑材料问世以来，人们对开发一种拓扑电子晶体管产生了很大的兴趣，”哈佛大学物理系教授Jenny Hoffman说。“虽然我们使用的材料不会产生电子拓扑晶体管，但我们的一般设计过程适用于量子材料和光子晶体，这带来了电子和光学等效物可能很快就会出现的希望。”
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通过使用声学拓扑绝缘体，研究人员能够避开复杂的量子力学的电子拓扑绝缘体。
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为了打开声晶体管，到达“门”输入的超声波加热并扩展基板，改变大小略有不同的柱子的两个晶格的间距，并诱导拓扑过渡，引导声音沿界面移动。- s) T/ L0 p8 p \% s. k
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“声波方程是完全可解的，这让我们可以从数值上找到合适的材料组合，来设计一种拓扑声波波导，加热时打开，冷却时关闭，”Harris Pirie说。0 Q& `& C1 a! I T" P9 u& n6 L
0 y7 M7 `0 }3 `' S研究人员将蜂窝状的钢柱固定在高热膨胀板上，并密封在一个密封的盒子里。格子的一半有稍大的柱子，另一半有稍小的柱子。这些柱子大小和间距的差异决定了晶格的拓扑结构，以及声波是否可以沿着指定的通道传播。研究人员随后设计了第二种设备，可以将超声波转化为热量。* U: F5 s# L3 S3 W
2 u4 ]- K# e- ~% U, m& u9 c热使柱状晶格膨胀，改变了波导的拓扑结构。当这两个器件耦合在一起时，一个波导的输出可以控制下一个波导的状态，就像传统晶体管中的电子可以切换其他晶体管一样。/ v- J/ d0 A- ^! _' ]( }
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蜂窝晶格，可以使用SMA线圈快速膨胀，创造高热膨胀系数
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这些声学拓扑开关是可扩展的，这意味着与厘米级超声波频率相同的设计也可以在亚毫米级和通常用于传输表面声波的频率上工作，这可能有助于克服集成声子电路的局限性。) Z/ `( \2 a1 L9 n) Z( U" i1 p7 ^
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Pirie说：“拓扑保护的声传输控制在许多重要领域都有应用，包括有效的降噪、单向声传播、超声波成像、回声定位、声隐身和声通信。”
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“与量子力学系统不同，声学超材料是直接的、有形的和直观的。它们为凝聚态物理的前沿课题提供了一个切入点，包括拓扑绝缘体。”Hoffman说。
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