研究人员在5G通信和量子信息处理的高频率下发现拓扑现象

宾夕法尼亚大学的研究人员领导的一项新的合作研究证明了声学系统中的拓扑控制能力，对5G通信和量子信息处理等应用有影响。发表在《自然-电子学》上的新研究描述了在技术上相关的频率下一个集成的声学-电子系统的拓扑控制能力。这项工作为使用高频声波的设备中的拓扑特性的额外研究创造了条件，其潜在的应用包括5G通信和量子信息处理。

这项研究由宾夕法尼亚大学Charlie Johnson实验室的博士后Zhang Qicheng（Scott）领导，并与北京邮电大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的Zhen Bo及其同事合作。

这项研究建立在拓扑材料领域的概念之上，这是宾夕法尼亚大学的查理-凯恩和尤金-梅勒开发的一个理论框架。这种类型的材料的一个例子是拓扑绝缘体，它在内部充当电绝缘体，但有一个表面可以导电。据推测，拓扑现象会发生在广泛的材料中，包括那些使用光或声波而不是电的材料。

在这项研究中，Zhang对研究拓扑声子晶体、使用声波或声子的超材料感兴趣。在这些晶体中，已知拓扑特性存在于兆赫兹范围内的低频，但Zhang想观察拓扑现象是否也可能发生在千兆赫兹范围内的高频，因为这些频率对5G等电信应用非常重要。

为了研究这个复杂的系统，研究人员结合了最先进的方法和专业知识，包括理论、模拟、纳米制造和实验测量。首先，实验室的研究人员在研究光波的拓扑特性方面具有专长，他们进行了模拟以确定要制造的最佳设备类型。然后，根据模拟结果并使用宾夕法尼亚州辛格纳米技术中心的高精度工具，研究人员将纳米级电路蚀刻在氮化铝膜上。这些设备随后被运到UT Austin的Keji Lai实验室进行微波阻抗显微镜检查，这种方法可以在难以置信的小范围内捕捉到高分辨率的声波图像。Lai的方法使用了一个商业原子力显微镜，并由他的实验室开发了修改和额外的电子设备。

"在这之前，如果人们想看看这些材料中发生了什么，他们通常需要去一个国家实验室并使用X射线，"Lai说。"这非常繁琐，耗时，而且昂贵。但是在我的实验室，这只是一个桌面设置，我们在大约10分钟内就能测量一个样品，而且灵敏度和分辨率都比以前好。"

这项工作的关键发现是实验证据表明，拓扑现象事实上在更高的频率范围内发生。"这项工作将拓扑学的概念带到了千兆赫兹声波中，"Zhang说。"我们证明了我们可以在一个有用的范围内拥有这种有趣的物理学，现在我们可以为今后更多有趣的研究建立起平台。"

另一个重要的结果是，这些特性可以建立在设备的原子结构中，这样材料的不同区域可以以独特的方式传播信号，这些结果是理论家所预测的，但在实验中看到的却是"惊人的"，Johnson说。"这也有它自己的重要意义。他说："当你在没有这些拓扑效应的普通系统中沿着尖锐的线索传达一个波时，在每一个急转弯处都会失去一些，比如功率，但在这个系统中不会。"

总的来说，这项工作为基础物理研究以及开发新设备和技术的进展提供了一个关键的起点。在短期内，研究人员有兴趣修改他们的设备，使其更容易使用，并提高其在更高频率下的性能，包括用于量子信息处理等应用的频率。

"就技术影响而言，这是一个可以进入5G或更远的工具箱里的技术，"约翰逊说。"我们正在研究的基本技术已经在你的手机里了，所以拓扑振动的问题是我们是否能想出一种方法，在5G所特有的这些更高的频率范围内做一些更有用的事情。"