Акустические транзисторы открывают путь к новой электронике31.01.2022 08:17

Модель сотовой решётки, которая служит основой для «транзистора» звуковых волн. Его дизайн предполагает новые виды электрических и световых транзисторов, изготовленных из так называемых топологических материалов. Предполагается, что электроны в топологическом транзисторе будут протекать без какого-либо сопротивления.

Современные компьютеры просто невозможны без электрических транзисторов. К старту нашего флагманского курса делимся материалом о разработке транзисторов на основе акустики, открывающих путь к новой электронике. Подробности под катом.

Потребляющие гораздо меньше энергии, чем нынешние устройства, потенциальные транзисторы будущего могут использовать экзотические материалы — «топологические изоляторы», где электричество проходит только по поверхностям и краям, практически без рассеяния энергии. 

В рамках исследования, которое может помочь проложить путь к созданию таких электронных топологических транзисторов, учёные из Гарварда изобрели и смоделировали первые акустические топологические транзисторы, работающие не с электрическими, а со звуковыми волнами.

Топология — это раздел математики, изучающий природу форм вне зависимости от деформации. Например, предмет в форме пончика [тора] может деформироваться в форму кружки, так что отверстие тора станет отверстием в ручке кружки. Однако объект не мог потерять отверстие, не переходя в принципиально иную форму.

Используя идеи топологии, в 2007 году исследователи разработали первые электронные топологические изоляторы. Проскакивающие по краям или поверхностям этих материалов электроны «топологически защищены». Это означает, что схемы движения электронов остаются неизменными при любых возмущениях, с которыми они могут столкнуться. Открытие помогло получить Нобелевскую премию по физике в 2016 году. Позже учёные разработали фотонные топологические изоляторы, в которых аналогичным образом защищён свет.

Однако создание электронных топологических транзисторов, где в топологических материалах поток электронов без диссипации может включаться и выключаться, требует обращения к сложной квантовой механике. 

Учёные смогли обойти эту сложность и при помощи акустических топологических изоляторов создать акустические топологические транзисторы, где топологически защищёнными могут быть звуковые волны.

Создать акустический топологический транзистор было нелегко. «Мы знали, что наш подход к топологической логике может работать, но нам ещё нужно было найти приемлемые материалы, где он действительно работал бы», — рассказывает ведущий автор исследования Харрис Пири, занятый сегодня в Оксфордском университете. — «Использовался довольно грубый подход: чтобы проверить тысячи различных материалов и конструкций, летом мы проводили расчёты на 20 компьютерах одновременно».

Хотя учёные нашли много почти работающих конструкций, эти конструкции в каком-то смысле всегда казались скомпрометированными: например, по словам Пири, «устройство было слишком большим, чтобы быть практичным». 

«И вот однажды мы наконец нашли дизайн, который удовлетворял всем ограничениям  (эврика!). Чтобы всё это работало, оставалось только разработать вспомогательные компоненты — термопреобразователь и расширяющуюся опорную плиту».

Конструкция — это сотовая решётка из стальных столбов, закреплённых на пластине из другого вещества (материала, который при нагревании сильно расширяется), и всё это запечатано в герметичном боксе.

Решётка устройства имеет немного увеличенные относительно других стержней с одной стороны и немного меньшие стержни с другой стороны. Эти различия в размере и расстоянии между столбами определяют топологию решётки, которая, в свою очередь, влияет на то, могут ли звуковые волны проходить через этот набор столбов. 

Например, при температуре 20° С ультразвук не может пройти через устройство, а при температуре 90° С он может пройти по кромке между сторонами. По сути, тепло может переключать это устройство из одного состояния в другое, как электричество в обычных транзисторах.

Учёные также разработали второе устройство, преобразующее ультразвуковые волны в тепло. Когда оба устройства соединены, они образуют акустический транзистор, который может управлять состоянием другого идентичного транзистора, подобно тому, как протекающее в обычном транзисторе электричество переключает другие транзисторы.

Исследователи отметили, что эти акустические топологические транзисторы масштабируются. «Это означает, что такая же конструкция может работать и на гигагерцовых частотах, которые обычно используются в схемах, потенциально полезных для обработки квантовой информации», — рассказывает Пири. — «В более общем смысле управление топологически защищённым акустическим транспортом находит применение в ряде важных областей, включая эффективное подавление акустического шума, одностороннее акустическое распространение, ультразвуковую визуализацию, эхолокацию, акустическую маскировку и акустическую связь».

Принципы проектирования для разработки акустических топологических транзисторов достаточно просто адаптировать, чтобы использовать в фотонных устройствах, «по крайней мере в принципе, поскольку уравнение акустической волны математически отображается на его фотонный аналог», — рассказывает Пири. 

Физика звуковых волн и физика световых волн достаточно похожи, чтобы легко перенести уроки топологического транзистора одного вида на топологический транзистор другого вида.

Однако, по словам Пири, «такого отображения не существует в электронике», что усложняет задачу создания электронного топологического транзистора на основе этой работы. При этом «всё ещё вероятно, что мы могли бы следовать той же общей схеме в электронике — нужно просто найти подходящие материалы», — отмечает Пири. 

В начале января учёные подробно описали свои выводы в журнале Physical Review Letters.

Источник

Продолжить погружение в IT-технологии вы сможете на наших курсах:

Узнайте подробности здесь.

Профессии и курсы

© Habrahabr.ru