Des chercheurs découvrent des phénomènes topologiques à des fréquences élevées et technologiquement pertinentes


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  • De nouvelles recherches publiées dans Électronique naturelle décrit les capacités de contrôle topologique dans un système acoustique-électronique intégré à des fréquences technologiquement pertinentes. Ce travail ouvre la voie à des recherches supplémentaires sur les propriétés topologiques des dispositifs utilisant des ondes sonores à haute fréquence, avec des applications potentielles telles que les communications 5G et le traitement de l’information quantique. L’étude a été dirigée par Qicheng (Scott) Zhang, postdoctorant dans le laboratoire de Charlie Johnson à l’Université de Pennsylvanie, en collaboration avec le groupe de Bo Zhen et ses collègues de l’Université des postes et télécommunications de Pékin et de l’Université du Texas à Austin.

    Cette recherche s’appuie sur des concepts du domaine des matériaux topologiques, un cadre théorique développé par Charlie Kane et Eugene Mele de Penn. Un exemple de ce type de matériau est un isolant topologique, qui agit comme un isolant électrique à l’intérieur mais a une surface qui conduit l’électricité. On suppose que les phénomènes topologiques se produisent dans une large gamme de matériaux, y compris ceux qui utilisent des ondes lumineuses ou sonores au lieu de l’électricité.

    Dans cette étude, Zhang s’est intéressé à l’étude des cristaux phononiques topologiques, des métamatériaux qui utilisent des ondes acoustiques ou des phonons. Dans ces cristaux, les propriétés topologiques sont connues pour exister à des fréquences basses dans la gamme des mégahertz, mais Zhang voulait voir si des phénomènes topologiques pouvaient également se produire à des fréquences plus élevées dans la gamme des gigahertz en raison de l’importance de ces fréquences pour les applications de télécommunication telles que la 5G.

    Pour étudier ce système complexe, les chercheurs ont combiné des méthodologies et une expertise de pointe en matière de théorie, de simulation, de nanofabrication et de mesures expérimentales. Tout d’abord, les chercheurs du laboratoire Zhen, qui ont une expertise dans l’étude des propriétés topologiques des ondes lumineuses, ont effectué des simulations pour déterminer les meilleurs types de dispositifs à fabriquer. Ensuite, sur la base des résultats des simulations et à l’aide d’outils de haute précision du Penn’s Singh Center for Nanotechnology, les chercheurs ont gravé des circuits à l’échelle nanométrique sur des membranes de nitrure d’aluminium. Ces appareils ont ensuite été expédiés au laboratoire de Keji Lai à UT Austin pour la microscopie à impédance micro-ondes, une méthode qui capture des images haute résolution des ondes acoustiques à des échelles incroyablement petites. L’approche de Lai utilise un microscope à force atomique commercial avec des modifications et des composants électroniques supplémentaires développés par son laboratoire.

    « Avant cela, si les gens veulent voir ce qui se passe dans ces matériaux, ils doivent généralement se rendre dans un laboratoire national et utiliser des rayons X », explique Lai. « C’est très fastidieux, long et coûteux. Mais dans mon laboratoire, c’est juste une configuration de table, et nous mesurons un échantillon en 10 minutes environ, et la sensibilité et la résolution sont meilleures qu’avant. »

    La principale découverte de ce travail est la preuve expérimentale montrant que les phénomènes topologiques se produisent en fait à des gammes de fréquences plus élevées. « Ce travail apporte le concept de topologie aux ondes acoustiques gigahertz », explique Zhang. « Nous avons démontré que nous pouvons avoir cette physique intéressante à une portée utile, et maintenant nous pouvons construire la plate-forme pour des recherches plus intéressantes à venir. »

    Un autre résultat important est que ces propriétés peuvent être intégrées à la structure atomique de l’appareil afin que différentes zones du matériau puissent propager des signaux de manière unique, des résultats qui ont été prédits par les théoriciens mais qui étaient « incroyables » à voir expérimentalement, dit Johnson. « Cela a également ses propres implications importantes : lorsque vous transportez une onde le long d’un sentier aigu dans des systèmes ordinaires qui n’ont pas ces effets topologiques, à chaque virage serré, vous allez perdre quelque chose, comme de la puissance, mais dans ce système que vous n’avez pas », dit-il.

    Dans l’ensemble, les chercheurs affirment que ce travail fournit un point de départ essentiel pour les progrès de la recherche fondamentale en physique ainsi que pour le développement de nouveaux dispositifs et technologies. À court terme, les chercheurs souhaitent modifier leur appareil pour le rendre plus convivial et améliorer ses performances à des fréquences plus élevées, y compris des fréquences utilisées pour des applications telles que le traitement de l’information quantique.

    « En termes d’implications technologiques, c’est quelque chose qui pourrait faire son chemin dans la boîte à outils pour la 5G ou au-delà », déclare Johnson. « La technologie de base sur laquelle nous travaillons est déjà dans votre téléphone, donc la question avec les vibrations topologiques est de savoir si nous pouvons trouver un moyen de faire quelque chose d’utile dans ces gammes de fréquences plus élevées qui sont caractéristiques de la 5G. »

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Pennsylvanie. Original écrit par Erica K. Brockmeier. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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