Diseñan los primeros transistores topológicos acústicos

Las ondas de sonido pueden allanar el camino para los transistores electrónicos topológicos.

Los materiales topológicos mueven electrones a lo largo de su superficie y bordes sin ninguna pérdida, lo que los convierte en materiales prometedores para la electrónica de alta eficiencia sin disipación.

Los investigadores están especialmente interesados ​​en utilizar estos materiales como transistores, la columna vertebral de toda la electrónica moderna.

Pero hay un problema: los transistores encienden y apagan la corriente electrónica, pero es difícil apagar el flujo de electrones sin disipación en materiales topológicos.

Ahora, investigadores de la Universidad de Harvard diseñaron y simularon los primeros transistores acústicos topológicos, con ondas de sonido en lugar de electrones, y propusieron una arquitectura de conexión para formar una puerta lógica universal que puede activar y desactivar el flujo de sonido.

“Desde la llegada de los materiales topológicos alrededor de 2007, ha habido mucho interés en desarrollar un transistor electrónico topológico“, dijo Jenny Hoffman, profesora de ciencias Clowes en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). y el Departamento de Física.

“Aunque los materiales que utilizamos no producirán un transistor topológico electrónico, nuestro proceso de diseño general se aplica tanto a los materiales cuánticos como a los cristales fotónicos, lo que genera esperanzas de que los equivalentes electrónicos y ópticos no se queden atrás“.

Mediante el uso de aisladores topológicos acústicos, los investigadores pudieron eludir la complicada mecánica cuántica de los aisladores topológicos de electrones.

“Las ecuaciones de las ondas de sonido se pueden resolver con exactitud, lo que nos permitió encontrar numéricamente la combinación correcta de materiales para diseñar una guía de ondas acústica topológica que se enciende cuando se calienta y se apaga cuando se enfría“, dijo Harris Pirie, ex estudiante de posgrado en la Departamento de Física y primer autor del artículo.

Los investigadores utilizaron una red de panal de pilares de acero anclada a una placa de alta expansión térmica, sellada en una caja hermética.

La celosía tiene pilares un poco más grandes en una mitad y pilares un poco más pequeños en la otra mitad.

Estas diferencias de tamaño y espaciado de los pilares determinan la topología de la red, ya sea que las ondas sonoras puedan viajar a lo largo de un canal designado o no.

Luego, los investigadores diseñaron un segundo dispositivo que convierte el ultrasonido en calor.

El calor expande la red del pilar y cambia la topología de la guía de ondas.

Cuando se combinan, estos dos dispositivos permiten que la salida de una guía de ondas controle el estado de la siguiente, al igual que los electrones que fluyen en un transistor convencional pueden alternar otros transistores.

Estos interruptores topológicos acústicos son escalables, lo que significa que el mismo diseño utilizado con frecuencias ultrasónicas en la escala de centímetros también podría funcionar en tamaños submilimétricos y frecuencias comúnmente utilizadas para transmitir ondas acústicas superficiales, lo que puede ayudar a superar las limitaciones en los circuitos fonónicos integrados.

“El control del transporte acústico topológicamente protegido tiene aplicaciones en una serie de campos importantes que incluyen la reducción eficiente del ruido acústico, la propagación acústica unidireccional, la obtención de imágenes por ultrasonido, la ecolocalización, el encubrimiento acústico y las comunicaciones acústicas”, dijo Pirie.

Estos metamateriales acústicos también podrían utilizarse como herramienta de enseñanza.

“A diferencia de los sistemas mecánicos cuánticos, los metamateriales acústicos son sencillos, tangibles e intuitivos.

Sirven como un punto de entrada accesible a temas de vanguardia en la física de la materia condensada, incluidos los aisladores topológicos”, dijo Hoffman.

Fuente: Harvard