Первый топологический акустический транзистор

Исследователи особенно заинтересованы в использовании этих материалов в качестве транзисторов, основы всей современной электроники. Но есть проблема: транзисторы включают и выключают электронный ток, но трудно отключить бездиссипативный поток электронов в топологических материалах.

Чтобы «включить» акустический транзистор, ультразвук, поступающий на вход «затвора», нагревает и расширяет базовую пластину, изменяя расстояние между двумя решетками столбиков немного разного размера и вызывая топологический переход, который направляет звук вдоль границы раздела. (Источник: Лаборатория Хоффмана/Гарвардский университет SEAS)

Теперь исследователи из Гарвардского университета разработали и смоделировали первые топологические акустические транзисторы — со звуковыми волнами вместо электронов — и предложили архитектуру соединения для формирования универсального логического вентиля, который может включать и выключать поток звука.

«С момента появления топологических материалов примерно в 2007 году возник большой интерес к разработке топологического электронного транзистора», — сказала Дженни Хоффман, профессор естественных наук Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS). и кафедрой физики.

«Хотя материалы, которые мы использовали, не дадут электронного топологического транзистора, наш общий процесс проектирования применим как к квантовым материалам, так и к фотонным кристаллам, что вселяет надежду на то, что электронные и оптические эквиваленты не будут сильно отставать».

Используя акустические топологические изоляторы, исследователи смогли обойти сложную квантовую механику электронных топологических изоляторов.

«Уравнения для звуковых волн поддаются точному решению, что позволило нам численно найти правильную комбинацию материалов для проектирования топологического акустического волновода, который включается при нагревании и выключается при охлаждении», — сказал Харрис Пири, бывший аспирант в кафедрой физики и первым автором статьи. Пири в настоящее время является докторантом Марии Кюри в Оксфордском университете.

Исследователи использовали сотовую решетку из стальных столбов, прикрепленных к пластине с высоким тепловым расширением, запечатанных в воздухонепроницаемой коробке.

Решетка имеет столбики чуть большего размера на одной половине и столбики чуть меньшего размера на другой половине.

Эти различия в размерах и расстоянии между столбами определяют топологию решетки, могут ли звуковые волны распространяться по назначенному каналу или нет. Затем исследователи разработали второе устройство, которое преобразует ультразвук в тепло.

Тепло расширяет столбчатую решетку и изменяет топологию волновода.

Вместе эти два устройства позволяют выходу одного волновода управлять состоянием следующего, так же как электроны, протекающие в обычном транзисторе, могут переключать другие транзисторы.