用于开发声学拓扑晶体管的设计原则

拓扑声学晶体管为无耗散电子电路指明方向。

要制造出能量消耗远远小于当今晶体管的未来器件，可能要通过一种名为拓扑绝缘体的特殊材料来实现。在这种材料中，电流只会沿表面和边缘流动，几乎不耗散能量。在为这类电子拓扑晶体管铺路的研究中，目前哈佛大学的科学家已经发明并对首个声学拓扑晶体管进行了仿真，这种晶体管利用的是声波而非电子。

拓扑学是数学的一个分支，主要探索不受变形影响的性质。例如，一个环状物体可以变成马克杯的形状，其中环状物的洞变成了马克杯的把手。不管怎样，只要该物体的形状不做根本性的改变，它就不会失去那个洞。

应用来源于拓扑学的见解，研究人员于2007年开发出了第一个电子拓扑绝缘体。沿材料边缘或表面快速移动的电子受到了“拓扑保护”，这意味着，在遇到可能任何干扰时，电子流动模式都保持不变，相关发明者的这一发现获得了2016年诺贝尔物理学奖。之后，科学家设计了光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光受到了相似的保护。

不过，要制造可在拓扑材料中开关无能量耗散电子流的电子拓扑晶体管，需要解决复杂的量子力学问题。哈佛大学科学家绕开了这种复杂性，转而利用声波而非电荷来制造声学拓扑晶体管。

但制造声学拓扑晶体管同样不容易。“我们知道，我们的拓扑逻辑方法是可行的，但仍然需要找到切实可行的材料，让它可以真正工作。”目前的该研究第一作者、牛津大学的哈里斯•皮里（Harris Pirie）说，“我们采用了近似蛮干的方法。在一个夏季，我们同时在大约20台计算机上运行了计算，测试几千种不同材料和设计方案。”

哈佛大学研究人员选定的设计方案包括一个由钢柱组成的蜂巢晶格，钢柱锚定在另一种材料制成的基板上。它们都被封装在一个密封盒里。基板材料在受热时会急剧膨胀。

蜂巢晶格一端的钢柱越来越大，另一端的钢柱越来越小。钢柱在尺寸和间距上的差别会控制晶格的拓扑，这反过来会影响声波能否流经特定钢柱集合。例如，温度为20℃时，超声波无法通过设备，但在90℃时，超声波却可以沿着设备边缘畅通无阻地快速移动。实质上，热可以将设备从一种状态切换为另一种状态，类似电在传统晶体管中的作用。

研究人员指出，这些声学拓扑晶体管是可扩展的。皮里说，这意味着同样的设计也适用于千兆频率的电路，可以用来处理量子信息。

“一般来说，拓扑保护声波传播控制可以应用于许多重要领域，例如降噪、声音单向传播、超声成像、回声定位、隐声衣和声波通信。”他说。

用于开发声学拓扑晶体管的设计原则可以相当简单的方式应用到光学器件中。“起码从原则上是这样的，因为声波方程在数学上映射着光学方程。”皮里说。这意味着，声波和光波的物理特性足够相似，一种拓扑晶体管的经验可以容易地转化用于其他类型的拓扑晶体管。

不过，皮里说：“电子学中不存在这种映射。”利用该项成果开发电子拓扑晶体管更具挑战性。“在电子学中，我们还是可遵从同样的总体方案，前提是找到可用的合适材料。”他这样说。

审核编辑：刘清