SAMSUNG_052022 Advertisement SAMSUNG_052022 Advertisement SAMSUNG_052022 Advertisement

Akustický tranzistor by mohol umožniť vznik úplne novej elektroniky

0

Potenciálne budúce tranzistory, ktoré spotrebujú oveľa menej energie ako súčasné zariadenia, môžu byť založené na exotických materiáloch nazývaných „topologické izolátory“, v ktorých elektrina prúdi iba cez povrchy a hrany, takmer bez straty energie. Vedci z Harvardovej univerzity vynašli a simulovali prvé akustické topologické tranzistory, ktoré namiesto elektrónov fungujú so zvukovými vlnami. Topológia je oblasť matematiky, ktorá skúma povahu tvarov nezávisle od deformácie. Napríklad predmet v tvare šišky môže byť deformovaný do tvaru hrnčeka, takže otvor šišky sa stane otvorom v ušku pohára.

Na základe poznatkov z topológie vyvinuli vedci v roku 2007 prvé elektronické topologické izolátory. Elektróny, ktoré sa pohybujú po okrajoch alebo povrchoch týchto materiálov, sú „topologicky chránené“, čo znamená, že vzory, v ktorých elektróny prúdia, zostanú nezmenené pri akýchkoľvek poruchách, s ktorými sa môžu stretnúť. Vytvorenie elektronických topologických tranzistorov, v ktorých sa môže bez rozptylu zapínať a vypínať tok elektrónov v topologických materiáloch, si však vyžaduje vyrovnať sa s komplikovanou kvantovou mechanikou.

Použitím akustických topologických izolátorov, v ktorých môžu mať zvukové vlny topologickú ochranu, vedci dokázali túto zložitosť obísť a vytvoriť akustické topologické tranzistory. Napriek tomu nebolo jednoduché navrhnúť takýto tranzistor. Výskumníci potrebovali nájsť vhodné materiály, v ktorých by to skutočne fungovalo. Preto spúšťali výpočty približne na 20 počítačoch súčasne, aby otestovali tisíce rôznych materiálov a dizajnov. Potom konečne našli dizajn, ktorý spĺňal všetky požiadavky.

Konštrukcia pozostáva z voštinovej mriežky z oceľových stĺpikov ukotvených na doske z inej látky, ktoré sú uzavreté vo vzduchotesnom boxe. Doska je vyrobená z materiálu, ktorý sa pri zahrievaní výrazne rozpína. Mriežka zariadenia má na jednej strane o niečo väčšie stĺpiky a na druhej o niečo menšie. Rozdiely vo veľkosti a rozmiestnení stĺpikov určujú topológiu mriežky, ktorá následne ovplyvňuje, či zvukové vlny môžu prúdiť cez súbor stĺpikov alebo nie. Napríklad pri teplote 20 °C ultrazvuk nemôže prechádzať cez zariadenie, ale pri teplote 90 °C môže prechádzať pozdĺž okraja.

SOFTECON 2022

Teplo v podstate dokáže prepínať toto zariadenie z jedného stavu do druhého, podobne ako to robí elektrina v prípade bežných tranzistorov. Vedci navrhli aj druhé zariadenie, ktoré premieňa ultrazvukové vlny na teplo. Keď sa obe zariadenia spoja, tvoria akustický tranzistor, ktorý môže ovládať stav iného identického tranzistora, rovnako ako elektrina prúdiaca v bežnom tranzistore môže prepínať iné tranzistory. Výskumníci poznamenali, že tieto akustické topologické tranzistory sú škálovateľné.

To znamená, že rovnaký dizajn by mohol fungovať aj pri gigahertzových frekvenciách, ktoré sa bežne používajú v obvodoch potenciálne užitočných na spracovanie kvantovej informácie. Riadenie topologicky chráneného akustického prenosu môže nájsť uplatnenie v mnohých dôležitých oblastiach vrátane účinnej redukcie akustického hluku, jednosmerného šírenia akustického signálu, ultrazvukového zobrazovania, echolokácie, akustického maskovania a akustickej komunikácie. Vedci podrobne opísali svoje zistenia v časopise Physical Review Letters.

Zdroj: spectrum.ieee.org.

Redakcia

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať