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賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新的合作研究證明了聲學(xué)系統(tǒng)中的拓?fù)淇刂颇芰Γ瑢?duì)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(xué)》上的新研究描述了在技術(shù)上相關(guān)的頻率下一個(gè)集成的聲學(xué)-電子系統(tǒng)的拓?fù)淇刂颇芰Α＿@項(xiàng)工作為使用高頻聲波的設(shè)備中的拓?fù)涮匦缘念~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(xiàng)研究由賓夕法尼亞大學(xué)Charlie Johnson實(shí)驗(yàn)室的博士后Zhang Qicheng(Scott)領(lǐng)導(dǎo)，并與北京郵電大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Zhen Bo及其同事合作。
這項(xiàng)研究建立在拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的概念之上，這是賓夕法尼亞大學(xué)的查理-凱恩和尤金-梅勒開發(fā)的一個(gè)理論框架。這種類型的材料的一個(gè)例子是拓?fù)浣^緣體，它在內(nèi)部充當(dāng)電絕緣體，但有一個(gè)表面可以導(dǎo)電。據(jù)推測(cè)，拓?fù)洮F(xiàn)象會(huì)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(xiàng)研究中，Zhang對(duì)研究拓?fù)渎曌泳w、使用聲波或聲子的超材料感興趣。在這些晶體中，已知拓?fù)涮匦源嬖谟谡缀掌澐秶鷥?nèi)的低頻，但Zhang想觀察拓?fù)洮F(xiàn)象是否也可能發(fā)生在千兆赫茲范圍內(nèi)的高頻，因?yàn)檫@些頻率對(duì)5G等電信應(yīng)用非常重要。
為了研究這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，研究人員結(jié)合了最先進(jìn)的方法和專業(yè)知識(shí)，包括理論、模擬、納米制造和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。首先，實(shí)驗(yàn)室的研究人員在研究光波的拓?fù)涮匦苑矫婢哂袑ｉL，他們進(jìn)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(jí)電路蝕刻在氮化鋁膜上。這些設(shè)備隨后被運(yùn)到UT Austin的Keji Lai實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(gè)商業(yè)原子力顯微鏡，并由他的實(shí)驗(yàn)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(gè)國家實(shí)驗(yàn)室并使用X射線，"Lai說。"這非常繁瑣，耗時(shí)，而且昂貴。但是在我的實(shí)驗(yàn)室，這只是一個(gè)桌面設(shè)置，我們?cè)诖蠹s10分鐘內(nèi)就能測(cè)量一個(gè)樣品，而且靈敏度和分辨率都比以前好。"
這項(xiàng)工作的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，拓?fù)洮F(xiàn)象事實(shí)上在更高的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。"這項(xiàng)工作將拓?fù)鋵W(xué)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(gè)有用的范圍內(nèi)擁有這種有趣的物理學(xué)，現(xiàn)在我們可以為今后更多有趣的研究建立起平臺(tái)。"
另一個(gè)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(dú)特的方式傳播信號(hào)，這些結(jié)果是理論家所預(yù)測(cè)的，但在實(shí)驗(yàn)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(dāng)你在沒有這些拓?fù)湫?yīng)的普通系統(tǒng)中沿著尖銳的線索傳達(dá)一個(gè)波時(shí)，在每一個(gè)急轉(zhuǎn)彎處都會(huì)失去一些，比如功率，但在這個(gè)系統(tǒng)中不會(huì)。"
總的來說，這項(xiàng)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(jìn)展提供了一個(gè)關(guān)鍵的起點(diǎn)。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(gè)可以進(jìn)入5G或更遠(yuǎn)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(jī)里了，所以拓?fù)湔駝?dòng)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。"
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