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摘要：日本东北大学金属材料研究所于2023年1月4日宣布，基于数学领域的拓扑学概念，在材料表面开发出了一种特殊的声波导，将有助于超低功耗表面声波器件的开发。

关键词：日本东北大学、数学拓扑学、拓扑声波导、表面声波器件、量子计算、金属材料

日本东北大学金属材料研究所于2023年1月4日宣布，基于数学领域的拓扑学概念，在材料表面开发出了一种特殊的声波导。该波导将有助于超低功耗表面声波器件的开发。

在空气和物质的振动以波的形式传播的现象——声波中，在物质表面传播的声波被称为表面声波。作为使用它的电子元件，有表面声波器件，用于触摸屏传感器和频率滤波器等，但存在运行时功耗非常大的问题。

为此，一种基于数学领域拓扑学概念、作为特殊声波传输路径的拓扑声波导引起了人们的关注，并在世界范围内得到了相关研究。但是，它们中的大多数针对的是kHz这一低频段的空气中的声音。在与当前表面声波器件兼容的高频段，由于实验困难还尚未实现。

研究小组在压电材料表面上形成了一个精细的金属周期结构，以实现工作在高频段的拓扑声波导。在中心处，将两种不同拓扑结构的阵列图案连接，以使边界成为声波导。

a.两种不同拓扑结构的精细金属图案A、B的扫描电子显微镜图像；

b、c.用扫描微波显微镜观察到的形貌图和来自2.38GHz表面声波的对比度

接着，研究小组使用一种被称为扫描微波阻抗显微镜的特殊显微镜，将表面声波的传播情况进行可视化。当研究小组确认其是否用作拓扑波导时，在大约2.4GHz的高频表面声波中观察到其沿着两个结构的边界传播的情况。不同频率的实验和理论计算分析结果表明，制造的金属图案可用作拓扑声波导。

这一结果也表明，拓扑声波导是通过在表面声波器件上绘制金属图案的相对简单的方法实现的。工作频率已达到约2.4GHz，是迄今为止拓扑声波导中最高频率，并且还兼容表面声波器件。

通过将该拓扑声波导组装到表面声波器件中，有望降低表面声波器件的功耗。其将有助于提高各种电子设备的功能，例如，可以显著延长手机的电池寿命。此外，可以在空间上限制并传输声波的波导特性也可以用作量子计算的基本技术。

翻译：王宁愿

审校：李涵

通稿：李涵

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东北大学:基于数学拓扑学概念，开发出新型高频声波导