На світі існують так звані топологічні матеріали, всередині яких електрони переміщуються лише поверхнею або за межами матеріалу практично без втрат енергії. Ці матеріали вважаються вкрай перспективними для створення електроніки наступних поколінь, високоефективної та малогабаритної. Але поки що існує одна проблема, яку так і не вдалося подолати вченим, транзистори на базі топологічних матеріалів не можуть бути включені або вимкнені без розсіювання електронів, а отже, без втрат енергії.
Нещодавно дослідники з Гарвардського університету закінчили ряд розрахунків та моделювань, об’єктами яких є так звані акустичні топологічні транзистори, пристрої, що керують звуковими хвилями, а не потоками електронів. Виявлені вченими нові принципи та розрахована архітектура топологічного транзистора дозволили створити універсальний акустичний ключ, здатний пропускати або переривати потік звукових коливань.
“На жаль, використані нами матеріали та принципи навряд чи можуть бути використані для створення електронного топологічного транзистора” – розповідає Дженні Хоффман (Jenny Hoffman), професор з Гарвардського університету, – “Однак, нові принципи мають безпосереднє відношення до квантових матеріалів і фотонних кристалів, що дає надію для використання всього цього в майбутніх оптичних та оптоелектронних пристроях”.
Основою топологічного акустичного транзистора є грати з металевих стовпчиків, сформовані у вигляді сота видної структури на поверхні матеріалу, що має високий коефіцієнт теплового розширення. На зворотному боці пластини створено подібні грати, стовпчики яких мають менші розміри та менший крок між ними. Ці відмінності, що визначають топологічні властивості матеріалу, дозволяють або не дають проходити звукових хвиль уздовж утвореного каналу транзистора.
Другою частиною транзистора є пристрій, що виконує перетворення ультразвукових коливань на тепло. Це тепло впливає на пластину, яка розширюється і змінює топологію ґрат на її поверхні, дозволяючи акустичним хвилям проходити крізь канал. Все це разом працює, подібно до звичайного транзистора, коли електрони, що проходять через одну область (перехід база-емітер) дозволяють проходити електронам через іншу область (перехід емітер-колектор).
Принципи, що в основі роботи топологічного акустичного транзистора легко масштабуються. Вони можуть успішно працювати з ультразвуковими частотами та субміліметровими акустичними коливаннями, які раніше передавались тільки у вигляді поверхневих акустичних хвиль (ПАВ). І все це разом дозволить обійти обмеження, які не дозволяють реалізувати всі можливості інтегрованих фононних пристроїв.
У найближчому майбутньому вчені планують зробити демонстраційні версії топологічних акустичних транзисторів, які студенти чи відвідувачі виставки зможуть доторкнутися, перемкнути та у прямому сенсі почути результати своїх дій. Джерело