На свете существуют так называемые топологические материалы, внутри которых электроны перемещаются лишь по поверхности или по граням материала практически без потерь энергии. Эти материалы считаются крайне перспективными для создания электроники следующих поколений, высокоэффективной и малогабаритной. Но пока еще существует одна проблема, которую так и не удалось преодолеть ученым, транзисторы на базе топологических материалов не могут быть включены или выключены без рассеивания электронов, а значит без потерь энергии.
Недавно исследователи из Гарвардского университета закончили ряд расчетов и моделирований, объектами которых являются так называемые топологические акустические транзисторы, устройства, управляющие звуковыми волнами, а не потоками электронов. Обнаруженные учеными новые принципы и рассчитанная архитектура топологического транзистора позволили им создать универсальный акустический ключ, способный пропускать или прерывать поток звуковых колебаний.
"К сожалению, использованные нами материалы и принципы вряд ли могут быть использованы для создания электронного топологического транзистора" - рассказывает Дженни Хоффман (Jenny Hoffman), профессор из Гарвардского университета, - "Однако, новые принципы имеют самое непосредственное отношение к квантовым материалам и фотонным кристаллам, что дает надежду для использования всего этого в будущих оптических и оптоэлектронных устройствах".
Основой топологического акустического транзистора является решетка из металлических столбиков, сформированная в виде сотовидной структуры на поверхности материала, имеющего высокий коэффициент теплового расширения. На обратной стороне пластины создана подобная решетка, столбики которой имеют меньшие размеры и меньший шаг между ними. Эти различия, определяющие топологические свойства материала, позволяют или не дают проходить звуковым волнам вдоль образованного канала транзистора.
Второй частью транзистора является устройство, выполняющее преобразование ультразвуковых колебаний в тепло. Это тепло воздействует на пластину, которая расширяется и изменяет топологию решетки на ее поверхности, позволяя акустическим волнам проходить сквозь канал. Все это вместе работает, подобно обычному транзистору, когда электроны, проходящие через одну область (переход база-эмиттер) позволяют проходить электронам через другую область (переход эмиттер-коллектор).
Принципы, лежащие в основе работы топологического акустического транзистора легко масштабируются. Они могут успешно работать с ультразвуковыми частотами и с субмиллиметровыми акустическими колебаниями, которые раньше передавались только в виде поверхностных акустических волн (ПАВ). И все это вместе позволит обойти ограничения, которые не дают возможность реализовать все возможности интегрированных фононных устройств.
В ближайшем будущем ученые планируют сделать демонстрационные версии топологических акустических транзисторов, которые студенты или посетители выставки смогут потрогать, переключить и в прямом смысле услышать результаты своих действий.