Hiện tượng tôpô được tìm thấy ở tần số cao cho truyền thông 5G và xử lý thông tin lượng tử

Một nghiên cứu hợp tác mới do các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania dẫn đầu đã chứng minh khả năng điều khiển tôpô trong một hệ thống âm thanh, có ý nghĩa đối với các ứng dụng như truyền thông 5G và xử lý thông tin lượng tử.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Electronics mô tả khả năng điều khiển tôpô trong một hệ thống âm thanh-điện tử tích hợp ở các tần số phù hợp về mặt công nghệ. Công trình này mở đường cho các nghiên cứu bổ sung về các đặc tính cấu trúc liên kết trong các thiết bị sử dụng sóng âm tần số cao, với các ứng dụng tiềm năng bao gồm truyền thông 5G và xử lý thông tin lượng tử. Nghiên cứu được thực hiện bởi Qicheng (Scott) Zhang, một postdoc trong phòng thí nghiệm của Charlie Johnson tại Đại học Pennsylvania, phối hợp với nhóm của Bo Zhen và các đồng nghiệp từ Đại học Bưu chính Viễn thông Bắc Kinh và Đại học Texas ở Austin.

Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên các khái niệm từ lĩnh vực vật liệu tôpô, một khung lý thuyết được phát triển bởi Penn’s Charlie Kane và Eugene Mele. Một ví dụ về loại vật liệu này là chất cách điện tôpô, hoạt động như chất cách điện ở bên trong nhưng có bề mặt dẫn điện. Các hiện tượng tôpô được giả thuyết là xảy ra trong nhiều loại vật liệu, bao gồm cả những vật liệu sử dụng ánh sáng hoặc sóng âm thanh thay vì điện.

Trong nghiên cứu này, Zhang quan tâm đến việc nghiên cứu các tinh thể phonon tôpô, siêu vật liệu sử dụng sóng âm hoặc phonon. Trong các tinh thể này, các đặc tính tôpô được biết là tồn tại ở tần số thấp trong dải megahertz, nhưng Zhang muốn xem liệu các hiện tượng tôpô cũng có thể xảy ra ở tần số cao hơn trong dải gigahertz hay không vì tầm quan trọng của những tần số này đối với các ứng dụng viễn thông như 5G.

Để nghiên cứu hệ thống phức tạp này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phương pháp và kiến thức chuyên môn hiện đại trên lý thuyết, mô phỏng, chế tạo nano và các phép đo thực nghiệm. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Zhen, những người có chuyên môn trong việc nghiên cứu các tính chất tôpô trong sóng ánh sáng, đã tiến hành mô phỏng để xác định loại thiết bị tốt nhất để chế tạo. Sau đó, dựa trên kết quả mô phỏng và sử dụng các công cụ có độ chính xác cao tại Trung tâm Công nghệ nano Penn’s Singh, các nhà nghiên cứu đã khắc các mạch kích thước nano lên màng nhôm nitride. Những thiết bị này sau đó được chuyển đến phòng thí nghiệm của Keji Lai tại UT Austin để soi trở kháng vi sóng, một phương pháp ghi lại hình ảnh có độ phân giải cao của sóng âm ở quy mô cực nhỏ. Cách tiếp cận của Lai sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử thương mại với các sửa đổi và thiết bị điện tử bổ sung do phòng thí nghiệm của anh ấy phát triển.

Lai nói: “Trước đây, nếu mọi người muốn xem điều gì đang xảy ra trong những vật liệu này, họ cần phải đến phòng thí nghiệm quốc gia và sử dụng tia X”. “Nó rất tẻ nhạt, tốn thời gian và tốn kém. Nhưng trong phòng thí nghiệm của tôi, đó chỉ là thiết lập trên mặt bàn, và chúng tôi đo một mẫu trong khoảng 10 phút, độ nhạy và độ phân giải tốt hơn trước. ”

Phát hiện quan trọng của công trình này là bằng chứng thực nghiệm cho thấy các hiện tượng tôpô trên thực tế xảy ra ở các dải tần số cao hơn. Zhang nói: “Công trình này mang lại khái niệm cấu trúc liên kết cho các sóng âm thanh gigahertz. “Chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể có vật lý thú vị này ở một phạm vi hữu ích và bây giờ chúng tôi có thể xây dựng nền tảng cho những nghiên cứu thú vị hơn sắp tới.”

Một kết quả quan trọng khác là những đặc tính này có thể được xây dựng trong cấu trúc nguyên tử của thiết bị để các khu vực khác nhau của vật liệu có thể truyền tín hiệu theo những cách độc đáo, kết quả đã được các nhà lý thuyết dự đoán nhưng thật “kinh ngạc” khi nhìn thấy bằng thực nghiệm, Johnson nói. “Điều đó cũng có ý nghĩa quan trọng của riêng nó: Khi bạn đang truyền một làn sóng dọc theo một đường mòn sắc nét trong các hệ thống thông thường không có hiệu ứng tô pô này, ở mỗi bước ngoặt, bạn sẽ mất đi một thứ gì đó, chẳng hạn như quyền lực, nhưng trong điều này hệ thống mà bạn không, ”ông nói.

Nhìn chung, các nhà nghiên cứu nói rằng công trình này cung cấp một điểm khởi đầu quan trọng cho sự tiến bộ trong cả nghiên cứu vật lý cơ bản cũng như để phát triển các thiết bị và công nghệ mới. Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sửa đổi thiết bị của họ để làm cho thiết bị thân thiện với người dùng hơn và cải thiện hiệu suất của nó ở các tần số cao hơn, bao gồm cả các tần số được sử dụng cho các ứng dụng như xử lý thông tin lượng tử.

Johnson nói: “Về mặt ý nghĩa công nghệ, đây là thứ có thể xâm nhập vào hộp công cụ cho 5G hoặc hơn thế nữa. “Công nghệ cơ bản mà chúng tôi đang nghiên cứu đã có trong điện thoại của bạn, vì vậy câu hỏi đặt ra với các rung động cấu trúc liên kết là liệu chúng tôi có thể tìm ra cách để làm điều gì đó hữu ích ở các dải tần số cao hơn đặc trưng của 5G hay không.”

Tham khảo: “Hiệu ứng Hall thung lũng tô pô Gigahertz trong tinh thể phononic cơ điện nano” của Qicheng Zhang, Daehun Lee, Lu Zheng, Xuejian Ma, Shawn I. Meyer, Li He, Han Ye, Ze Gong, Bo Zhen, Keji Lai và AT Charlie Johnson, Ngày 28 tháng 3 năm 2022, Điện tử Tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41928-022-00732-y

Tài trợ: Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Welch, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ

Theo Scitechdaily