可编程声拓扑绝缘体- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-10

导读：江苏大学孙宏祥副教授和南京大学刘晓峻教授课题组合作，首次实现了可编程声学拓扑绝缘体，并基于可编程拓扑绝缘体实验验证了功能可反转的声逻辑器件。可编程拓扑绝缘体的可重构性有望促进其在集成电路、量子计算及智

导读

江苏大学孙宏祥副教授课题组和南京大学刘晓峻教授课题组合作在声拓扑绝缘体的研究中取得突破，首次实现了可编程声学拓扑绝缘体，并基于可编程拓扑绝缘体实验验证了功能可反转的声逻辑器件。与传统的拓扑绝缘体相比，可编程拓扑绝缘体的可重构性有望促进其在集成电路、量子计算及智能材料等领域产生重要的应用。相关成果于2018年10月8日以 “Programmable Coding Acoustic Topological Insulator” 为题在线发表在顶级期刊《Advanced Materials》上。孙宏祥副教授、袁寿其教授、刘晓峻教授为共同通讯作者，孙宏祥副教授课题组硕士生夏建平与贾鼎讲师为共同第一作者。

背景介绍

量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应的发现为拓扑绝缘体研究揭开了序幕。拓扑绝缘体能带结构的拓扑性质使其具有独特的特性：如自旋相关的单向传输及背散射抑制的鲁棒性等，有望在自旋电子学、热电以及量子信息等领域获得应用。近年来，由于声拓扑绝缘体在消声降噪、单向传输及声通信等领域具有潜在的应用价值，拓扑绝缘体迅速成为声学领域的研究热点。通过引入环形流场、谷态及“赝自旋”等方式，可以在声学系统中构造出 “类自旋”自由度，从而实现多种具有拓扑保护的声拓扑绝缘体。在此基础上，设计不同形状结构的声拓扑绝缘体可以构建具有拓扑保护的不同声传播路径。然而，现有的拓扑绝缘体功能较为单一固化，无法满足其在实际应用中所需的智能化与可重构性。因此，设计具有可重构性的声拓扑绝缘体是当前亟需解决的难题。

创新与结论

在这项工作中，研究人员基于蜂窝状声子晶体首次提出了可编程声拓扑绝缘体概念，通过改变单元圆柱的直径实现了声子晶体的能带反转，并将拓扑平庸与非平庸声子晶体分别定义为数字单元“0”和“1”。与传统的声拓扑绝缘体不同，通过变换可编程声拓扑绝缘体的编码，可以灵活地实时调控拓扑绝缘体中的声传播路径。在该工作中，他们首先通过变换编码，在相同的可编程声拓扑绝缘体中分别实现了单个直角通道、双直角通道、多通道及分叉型通道等多个复杂的声传播路径；进而基于单片机系统、气压系统（气缸及电磁阀）及3D打印的结构单元在实验上实现了可编程声拓扑绝缘体；并通过所设计的软件系统控制声拓扑绝缘体的编码状态，分别在实验上实现了单刀单掷与双掷声开关。此外，他们基于可编程声拓扑绝缘体还在实验上实现同时具有“或(OR)”和“异或(XOR)”功能的声逻辑器件，并通过变换声拓扑绝缘体编码反转 “或(OR)”和“异或(XOR)”逻辑功能。该工作所实现的可编程拓扑绝缘体具有可重构性与自动化控制等特性，得到了《Advanced Materials》评审的高度评价，认为该工作具有高度的原创性，有效地推动了声拓扑绝缘体这个迅猛发展的领域的实际应用，并且有望引起电子与光拓扑绝缘体领域更多的思考，呈现出极大的发展潜力。