Schéma d’une onde acoustique topologique parfaitement transmise imagée à l’aide d’un microscope à micro-ondes. Une nouvelle étude dirigée par des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie décrit les capacités de contrôle topologique dans un système acoustique à des fréquences élevées technologiquement pertinentes, des travaux ayant des implications pour les communications 5G et le traitement quantique de l’information. Crédit : Qicheng Zhang
Une nouvelle étude collaborative dirigée par des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie décrit les capacités de contrôle topologique dans un système acoustique, travaux ayant des implications pour des applications telles que les communications 5G et le traitement de l’information quantique.
Nouvelle recherche publiée dans Nature Electronics 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 dans les dispositifs qui utilisent des ondes sonores à haute fréquence, avec des applications potentielles comprenant les communications 5G et le traitement de l’information quantique. L’étude a été menée par Qicheng (Scott) Zhang, un postdoc dans le laboratoire de Charlie Johnson à l’Université de Pennsylvanie, en collaboration avec le groupe de Bo Zhen et des collègues de l’Université des postes et télécommunications de Pékin et de l’Université du Texas à Austin.
Cette recherche s’appuie sur les concepts du domaine des matériaux topologiques, un cadre théorique développé par Charlie Kane et Eugene Mele de Pennsylvanie. Un exemple de ce type de matériau est un isolant topologique, qui agit comme un isolant électrique à l’intérieur mais dont la surface est conductrice d’électricité. On suppose que les phénomènes topologiques se produisent dans un large éventail de matériaux, y compris ceux qui utilisent la lumière ou les ondes sonores au lieu de l’électricité.
Dans cette étude, Zhang s’est intéressé aux cristaux phononiques topologiques, des métamatériaux qui utilisent des ondes acoustiques, ou phonons. Dans ces cristaux, les propriétés topologiques sont connues pour exister à de basses fréquences 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 de pointe et des compétences en matière de théorie, de simulation, de nanofabrication et de mesures expérimentales. Tout d’abord, les chercheurs du laboratoire Zhen, qui sont spécialisés 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 des outils de haute précision du Singh Center for Nanotechnology de Penn, les chercheurs ont gravé des circuits à l’échelle nanométrique sur des membranes en nitrure d’aluminium. Ces dispositifs ont ensuite été envoyés au laboratoire de Keji Lai à l’UT Austin pour la microscopie par impédance micro-ondes, une méthode qui permet de capturer 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, il suffit d’une installation de table, et nous mesurons un échantillon en 10 minutes environ, et la sensibilité et la résolution sont meilleures qu’avant.”
La principale conclusion de ces travaux est la preuve expérimentale que les phénomènes topologiques se produisent en fait à des fréquences plus élevées. “Ce travail apporte le concept de topologie aux ondes acoustiques gigahertz”, déclare Zhang. “Nous avons démontré que nous pouvons avoir cette physique intéressante à une gamme 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 dans la structure atomique du dispositif, de sorte que différentes zones du matériau peuvent propager les signaux de manière unique, des résultats qui ont été prédits par les théoriciens mais qui ont été “étonnants” à voir expérimentalement, dit Johnson. “Cela a aussi ses propres implications importantes : Lorsque vous transportez une onde le long d’une piste pointue 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 vous ne perdez rien”, dit-il.
Dans l’ensemble, les chercheurs affirment que ces travaux constituent un point de départ essentiel pour progresser à la fois dans la recherche en physique fondamentale et dans le développement de nouveaux dispositifs et technologies. À court terme, les chercheurs souhaitenten modifiant leur dispositif pour le rendre plus convivial et en améliorant ses performances à des fréquences plus élevées, notamment 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.”
Référence : “Gigahertz topological valley Hall effect in nanoelectromechanical phononic crystals” par Qicheng Zhang, Daehun Lee, Lu Zheng, Xuejian Ma, Shawn I. Meyer, Li He, Han Ye, Ze Gong, Bo Zhen, Keji Lai et A. T. Charlie Johnson, 28 mars 2022, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-022-00732-y
Financement : National Science Foundation, National Science Foundation, National Science Foundation, National Science Foundation, Welch Foundation, U.S. Naval Research Laboratory, U.S. Naval Research Laboratory.
