用于開發(fā)聲學(xué)拓?fù)渚w管的設(shè)計(jì)原則

拓?fù)渎晫W(xué)晶體管為無耗散電子電路指明方向。

要制造出能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)今晶體管的未來器件，可能要通過一種名為拓?fù)浣^緣體的特殊材料來實(shí)現(xiàn)。在這種材料中，電流只會(huì)沿表面和邊緣流動(dòng)，幾乎不耗散能量。在為這類電子拓?fù)渚w管鋪路的研究中，目前哈佛大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明并對(duì)首個(gè)聲學(xué)拓?fù)渚w管進(jìn)行了仿真，這種晶體管利用的是聲波而非電子。

拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，主要探索不受變形影響的性質(zhì)。例如，一個(gè)環(huán)狀物體可以變成馬克杯的形狀，其中環(huán)狀物的洞變成了馬克杯的把手。不管怎樣，只要該物體的形狀不做根本性的改變，它就不會(huì)失去那個(gè)洞。

應(yīng)用來源于拓?fù)鋵W(xué)的見解，研究人員于2007年開發(fā)出了第一個(gè)電子拓?fù)浣^緣體。沿材料邊緣或表面快速移動(dòng)的電子受到了“拓?fù)浔Ｗo(hù)”，這意味著，在遇到可能任何干擾時(shí)，電子流動(dòng)模式都保持不變，相關(guān)發(fā)明者的這一發(fā)現(xiàn)獲得了2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，科學(xué)家設(shè)計(jì)了光子拓?fù)浣^緣體，在這種絕緣體中，光受到了相似的保護(hù)。

不過，要制造可在拓?fù)洳牧现虚_關(guān)無能量耗散電子流的電子拓?fù)渚w管，需要解決復(fù)雜的量子力學(xué)問題。哈佛大學(xué)科學(xué)家繞開了這種復(fù)雜性，轉(zhuǎn)而利用聲波而非電荷來制造聲學(xué)拓?fù)渚w管。

但制造聲學(xué)拓?fù)渚w管同樣不容易?！拔覀冎溃覀兊耐?fù)溥壿嫹椒ㄊ强尚械?，但仍然需要找到切?shí)可行的材料，讓它可以真正工作。”目前的該研究第一作者、牛津大學(xué)的哈里斯•皮里（Harris Pirie）說，“我們采用了近似蠻干的方法。在一個(gè)夏季，我們同時(shí)在大約20臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了計(jì)算，測試幾千種不同材料和設(shè)計(jì)方案。”

哈佛大學(xué)研究人員選定的設(shè)計(jì)方案包括一個(gè)由鋼柱組成的蜂巢晶格，鋼柱錨定在另一種材料制成的基板上。它們都被封裝在一個(gè)密封盒里。基板材料在受熱時(shí)會(huì)急劇膨脹。

蜂巢晶格一端的鋼柱越來越大，另一端的鋼柱越來越小。鋼柱在尺寸和間距上的差別會(huì)控制晶格的拓?fù)?，這反過來會(huì)影響聲波能否流經(jīng)特定鋼柱集合。例如，溫度為20℃時(shí)，超聲波無法通過設(shè)備，但在90℃時(shí)，超聲波卻可以沿著設(shè)備邊緣暢通無阻地快速移動(dòng)。實(shí)質(zhì)上，熱可以將設(shè)備從一種狀態(tài)切換為另一種狀態(tài)，類似電在傳統(tǒng)晶體管中的作用。

研究人員指出，這些聲學(xué)拓?fù)渚w管是可擴(kuò)展的。皮里說，這意味著同樣的設(shè)計(jì)也適用于千兆頻率的電路，可以用來處理量子信息。

“一般來說，拓?fù)浔Ｗo(hù)聲波傳播控制可以應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域，例如降噪、聲音單向傳播、超聲成像、回聲定位、隱聲衣和聲波通信?！彼f。

用于開發(fā)聲學(xué)拓?fù)渚w管的設(shè)計(jì)原則可以相當(dāng)簡單的方式應(yīng)用到光學(xué)器件中?！捌鸫a從原則上是這樣的，因?yàn)槁暡ǚ匠淘跀?shù)學(xué)上映射著光學(xué)方程。”皮里說。這意味著，聲波和光波的物理特性足夠相似，一種拓?fù)渚w管的經(jīng)驗(yàn)可以容易地轉(zhuǎn)化用于其他類型的拓?fù)渚w管。

不過，皮里說：“電子學(xué)中不存在這種映射?！崩迷擁?xiàng)成果開發(fā)電子拓?fù)渚w管更具挑戰(zhàn)性?！霸陔娮訉W(xué)中，我們還是可遵從同樣的總體方案，前提是找到可用的合適材料?！彼@樣說。

審核編輯：劉清