拓撲聲學晶體管為無耗散電子電路指明方向。

要制造出能量消耗遠遠小于當今晶體管的未來器件，可能要通過一種名為拓撲絕緣體的特殊材料來實現(xiàn)。在這種材料中，電流只會沿表面和邊緣流動，幾乎不耗散能量。在為這類電子拓撲晶體管鋪路的研究中，目前哈佛大學的科學家已經(jīng)發(fā)明并對首個聲學拓撲晶體管進行了仿真，這種晶體管利用的是聲波而非電子。

拓撲學是數(shù)學的一個分支，主要探索不受變形影響的性質(zhì)。例如，一個環(huán)狀物體可以變成馬克杯的形狀，其中環(huán)狀物的洞變成了馬克杯的把手。不管怎樣，只要該物體的形狀不做根本性的改變，它就不會失去那個洞。

應(yīng)用來源于拓撲學的見解，研究人員于2007年開發(fā)出了第一個電子拓撲絕緣體。沿材料邊緣或表面快速移動的電子受到了“拓撲保護”，這意味著，在遇到可能任何干擾時，電子流動模式都保持不變，相關(guān)發(fā)明者的這一發(fā)現(xiàn)獲得了2016年諾貝爾物理學獎。之后，科學家設(shè)計了光子拓撲絕緣體，在這種絕緣體中，光受到了相似的保護。

不過，要制造可在拓撲材料中開關(guān)無能量耗散電子流的電子拓撲晶體管，需要解決復(fù)雜的量子力學問題。哈佛大學科學家繞開了這種復(fù)雜性，轉(zhuǎn)而利用聲波而非電荷來制造聲學拓撲晶體管。

但制造聲學拓撲晶體管同樣不容易。“我們知道，我們的拓撲邏輯方法是可行的，但仍然需要找到切實可行的材料，讓它可以真正工作?！蹦壳暗脑撗芯康谝蛔髡摺⑴＝虼髮W的哈里斯•皮里（Harris Pirie）說，“我們采用了近似蠻干的方法。在一個夏季，我們同時在大約20臺計算機上運行了計算，測試幾千種不同材料和設(shè)計方案?！?/p>

哈佛大學研究人員選定的設(shè)計方案包括一個由鋼柱組成的蜂巢晶格，鋼柱錨定在另一種材料制成的基板上。它們都被封裝在一個密封盒里。基板材料在受熱時會急劇膨脹。

蜂巢晶格一端的鋼柱越來越大，另一端的鋼柱越來越小。鋼柱在尺寸和間距上的差別會控制晶格的拓撲，這反過來會影響聲波能否流經(jīng)特定鋼柱集合。例如，溫度為20℃時，超聲波無法通過設(shè)備，但在90℃時，超聲波卻可以沿著設(shè)備邊緣暢通無阻地快速移動。實質(zhì)上，熱可以將設(shè)備從一種狀態(tài)切換為另一種狀態(tài)，類似電在傳統(tǒng)晶體管中的作用。

研究人員指出，這些聲學拓撲晶體管是可擴展的。皮里說，這意味著同樣的設(shè)計也適用于千兆頻率的電路，可以用來處理量子信息。

“一般來說，拓撲保護聲波傳播控制可以應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域，例如降噪、聲音單向傳播、超聲成像、回聲定位、隱聲衣和聲波通信。”他說。

用于開發(fā)聲學拓撲晶體管的設(shè)計原則可以相當簡單的方式應(yīng)用到光學器件中?！捌鸫a從原則上是這樣的，因為聲波方程在數(shù)學上映射著光學方程?！逼だ镎f。這意味著，聲波和光波的物理特性足夠相似，一種拓撲晶體管的經(jīng)驗可以容易地轉(zhuǎn)化用于其他類型的拓撲晶體管。

不過，皮里說：“電子學中不存在這種映射。”利用該項成果開發(fā)電子拓撲晶體管更具挑戰(zhàn)性。“在電子學中，我們還是可遵從同樣的總體方案，前提是找到可用的合適材料?！彼@樣說。

早些時候，這些學者在《物理評論快報》雜志的網(wǎng)站上詳細介紹了其研究成果。

審核編輯 ：李倩