Fenomeni topologici a frequenze elevate

I cristalli fononici topologici possono manipolare le onde elastiche che si propagano nei solidi senza essere retrodiffusi e potrebbero essere utilizzati per sviluppare sistemi acustoelettronici integrati per l'elaborazione delle informazioni classiche e quantistiche. Tuttavia, i metamateriali topologici acustici sono stati principalmente limitati a sistemi su macroscala che operano a frequenze basse (da kilohertz a megahertz).

Una nuova ricerca pubblicata su Nature Electronics (1) descrive le capacità di controllo topologico in un sistema acustico-elettronico integrato a frequenze tecnologicamente rilevanti. Questo lavoro apre la strada a ulteriori ricerche sulle proprietà topologiche nei dispositivi che utilizzano onde sonore ad alta frequenza, con potenziali applicazioni tra cui le comunicazioni 5G e l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Lo studio è stato condotto dal dottor Qicheng (Scott) Zhang, (2) collaboratore nel laboratorio del professor Charlie Johnson (3) presso l'University of Pennsylvania, in collaborazione con il gruppo del dottor Bo Zhen (4) e colleghi della Beijing University of Posts and Telecommunications e dell'Università del Texas ad Austin.

Questa ricerca si basa su concetti del campo dei materiali topologici, un quadro teorico sviluppato da Charlie Kane ed Eugene Mele di Penn. (5) Un esempio di questo tipo di materiale è un isolante topologico, che funge da isolante elettrico all'interno ma ha una superficie che conduce l'elettricità. Si ipotizza che i fenomeni topologici si verifichino in un'ampia gamma di materiali, compresi quelli che utilizzano onde luminose o sonore invece dell'elettricità.

In questo studio, Zhang era interessato a studiare cristalli fononici topologici, metamateriali che utilizzano onde acustiche o fononi. È noto che in questi cristalli esistono proprietà topologiche a basse frequenze nell'intervallo dei megahertz, ma Zhang voleva vedere se i fenomeni topologici potessero verificarsi anche a frequenze più elevate nell'intervallo dei gigahertz a causa dell'importanza di queste frequenze per applicazioni di telecomunicazione come il 5G.

Per studiare questo sistema complesso, i ricercatori hanno combinato metodologie e competenze all'avanguardia tra teoria, simulazione, nanofabbricazione e misurazioni sperimentali. In primo luogo, i ricercatori del laboratorio Zhen, che hanno esperienza nello studio delle proprietà topologiche nelle onde luminose, hanno condotto simulazioni per determinare i migliori tipi di dispositivi da fabbricare. Quindi, sulla base dei risultati delle simulazioni e utilizzando strumenti ad alta precisione presso il Penn's Singh Center for Nanotechnology, i ricercatori hanno inciso circuiti su nanoscala su membrane di nitruro di alluminio. Questi dispositivi sono stati poi spediti al laboratorio di Keji Lai presso l'UT Austin per la microscopia a impedenza delle microonde, un metodo che cattura immagini ad alta risoluzione delle onde acustiche su scale incredibilmente piccole. L'approccio di Lai utilizza un microscopio commerciale a forza atomica con modifiche ed elettronica aggiuntiva sviluppata dal suo laboratorio.

«Prima di questo, se le persone vogliono vedere cosa sta succedendo in questi materiali, di solito devono recarsi in un laboratorio nazionale e utilizzare i raggi X», afferma Lai. «È molto noioso, dispendioso in termini di tempo e costoso. Ma nel mio laboratorio, è solo una configurazione da tavolo e misuriamo un campione in circa 10 minuti e la sensibilità e la risoluzione sono migliori di prima».

La scoperta chiave di questo lavoro è l'evidenza sperimentale che mostra che i fenomeni topologici si verificano effettivamente a intervalli di frequenza più elevati. «Questo lavoro porta il concetto di topologia alle onde acustiche gigahertz», afferma Zhang. «Abbiamo dimostrato che possiamo avere questa fisica interessante a un intervallo utile e ora possiamo costruire la piattaforma per ricerche più interessanti a venire».

Un altro risultato importante è che queste proprietà possono essere integrate nella struttura atomica del dispositivo in modo che diverse aree del materiale possano propagare segnali in modi unici, risultati che erano stati previsti dai teorici ma che erano “sorprendenti” da vedere sperimentalmente, afferma Johnson. «Ciò ha anche le sue importanti implicazioni: quando trasmetti un'onda lungo una scia tagliente in sistemi ordinari che non hanno questi effetti topologici, ad ogni svolta brusca perderai qualcosa, come la potenza, ma in questo sistema che non lo fai», dice.

Nel complesso, i ricercatori affermano che questo lavoro fornisce un punto di partenza fondamentale per il progresso sia nella ricerca di fisica fondamentale che per lo sviluppo di nuovi dispositivi e tecnologie. A breve termine, i ricercatori sono interessati a modificare il loro dispositivo per renderlo più intuitivo e migliorarne le prestazioni a frequenze più elevate, comprese le frequenze utilizzate per applicazioni come l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

«In termini di implicazioni tecnologiche, questo è qualcosa che potrebbe farsi strada nella 'cassetta degli attrezzi' per il 5G o oltre», afferma Johnson. «La tecnologia di base su cui stiamo lavorando è già nel tuo telefono, quindi la domanda con le vibrazioni topologiche è: se possiamo trovare un modo per fare qualcosa di utile a queste gamme di frequenza più elevate che sono caratteristiche del 5G».

Riferimenti:

(1) Gigahertz topological valley Hall effect in nanoelectromechanical phononic crystals

(2) Qicheng Zhang

(3) Charlie Johnson

(4) Bo Zhen

(5) Eugene Mele and Charles Kane to share Breakthrough Prize in Fundamental Physics

Descrizione foto: Schema di un'onda acustica topologica perfettamente trasmessa che viene ripresa utilizzando un microscopio a microonde. - Credit: Qicheng Zhang.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers find topological phenomena at high technologically relevant frequencies