研究人員在5G通信和量子信息處理的高頻率下發(fā)現(xiàn)拓撲現(xiàn)象
2022-04-12 08:30:25 cnBeta.COM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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(chuàng)造了條件，其潛在的應用包括5G通信和量子信息處理。
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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(chuàng)造了條件，其潛在的應用包括5G通信和量子信息處理。
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，已知拓撲特性存在于兆赫茲范圍內(nèi)的低頻，但Zhang想觀察拓撲現(xiàn)象是否也可能發(fā)生在千兆赫茲范圍內(nèi)的高頻，因為這些頻率對5G等電信應用非常重要。
為了研究這個復雜的系統(tǒng)，研究人員結合了最先進的方法和專業(yè)知識，包括理論、模擬、納米制造和實驗測量。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制造的最佳設備類型。然后，根據(jù)模擬結果并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。這些設備隨后被運到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的方法使用了一個商業(yè)原子力顯微鏡，并由他的實驗室開發(fā)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(fā)生了什么，他們通常需要去一個國家實驗室并使用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(nèi)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(fā)現(xiàn)是實驗證據(jù)表明，拓撲現(xiàn)象事實上在更高的頻率范圍內(nèi)發(fā)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范圍內(nèi)擁有這種有趣的物理學，現(xiàn)在我們可以為今后更多有趣的研究建立起平臺。"
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(qū)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(tǒng)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(tǒng)中不會。"
總的來說，這項工作為基礎物理研究以及開發(fā)新設備和技術的進展提供了一個關鍵的起點。在短期內(nèi)，研究人員有興趣修改他們的設備，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或更遠的工具箱里的技術，"約翰遜說。"我們正在研究的基本技術已經(jīng)在你的手機里了，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范圍內(nèi)做一些更有用的事情。"
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