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

這項研究由賓夕法尼亞大學Charlie Johnson實驗室的博士後Zhang Qicheng（Scott）領導，並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，它在內部充當電絕緣體，但有一個表面可以導電。據推測，拓撲現象會發生在廣泛的材料中，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，已知拓撲特性存在於兆赫茲範圍內的低頻，但Zhang想觀察拓撲現像是否也可能發生在千兆赫茲範圍內的高頻，因為這些頻率對5G等電信應用非常重要。

為了研究這個複雜的系統，研究人員結合了最先進的方法和專業知識，包括理論、模擬、納米製造和實驗測量。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製造的最佳設備類型。然後，根據模擬結果並使用賓夕法尼亞州辛格納米技術中心的高精度工具，研究人員將納米級電路蝕刻在氮化鋁膜上。這些設備隨後被運到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範圍內捕捉到高分辨率的聲波圖像。Lai的方法使用了一個商業原子力顯微鏡，並由他的實驗室開發了修改和額外的電子設備。

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

這項工作的關鍵發現是實驗證據表明，拓撲現象事實上在更高的頻率範圍內發生。”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範圍內擁有這種有趣的物理學，現在我們可以為今後更多有趣的研究建立起平台。”

另一個重要的結果是，這些特性可以建立在設備的原子結構中，這樣材料的不同區域可以以獨特的方式傳播信號，這些結果是理論家所預測的，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的普通系統中沿著尖銳的線索傳達一個波時，在每一個急轉彎處都會失去一些，比如功率，但在這個系統中不會。”

總的來說，這項工作為基礎物理研究以及開發新設備和技術的進展提供了一個關鍵的起點。在短期內，研究人員有興趣修改他們的設備，使其更容易使用，並提高其在更高頻率下的性能，包括用於量子信息處理等應用的頻率。

“就技術影響而言，這是一個可以進入5G或更遠的工具箱裡的技術，”約翰遜說。”我們正在研究的基本技術已經在你的手機裡了，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範圍內做一些更有用的事情。”