用数学原理开发高频新型声波导 ~目标是应用于超低能量损失的新一代高频滤波器和传感器~

用数学原理开发高频新型声波导~目标是应用于超低能量损失的新一代高频滤波器和传感器~

【发表要点】 ●为了实现应用数学拓扑原理的超低能量损耗新型声波导，在物质表面成功制备了纳米尺度(纳米为十亿分之一)的周期结构。 ●确认了在高频千兆赫兹频带中作为波导发挥作用。 ●现有表面弹性波元件的大幅高功能化和量子技术的应用备受期待。

【概要】 声波是空气或物质的振动以波的形式传播的现象。 其中，沿物质表面传播的声波被称为“表面声波”，使用该声波的电子元件有表面声波器件(注1 )。 表面声波器件为了只让特定频率的电信号很好地通过，被用作手机的频率滤波器，另外，由于声波的传播方式具有对表面状态敏感的性质，被用于传感器等。 但是，由于表面声波器件的能量损失，伴随着巨大的电力消耗常常成为问题。 东北大学金属材料研究所的新居阳一副教授和小野濑佳文教授，以数学领域的拓扑学(注2 )的概念为基础，在物质表面实现了特殊的声波波导。 该波导可以嵌入表面声波器件上，并且具有通过利用拓扑结构，在原理上可以将耗散(因热等变化导致的能量损失)抑制到极限的性质。 因此，如果利用本成果得到的波导，可以期待实现超低功耗的表面声波器件。 这被认为有助于提高电子设备的性能，例如大幅延长手机的电池续航时间等。 另外，表面弹性波作为量子计算(注3 )的要素技术也备受瞩目，但此次波导所具有的性质也值得期待。 本研究以数学原理开发高频新型声波导~目标是应用于超低能量损耗的新一代高频滤波器和传感器~被美国物理学会应用物理学专业杂志Physical Review Applied杂志的editor’ssuggestion选定，于2023年1月3日(美国东部时间)刊登在该杂志上。

【详细说明】 ○研究背景 空气或物质的振动以波的形式传播的称为声波，特别是沿物质表面传播的声波称为表面声波。 表面弹性波可以通过在压电体(注4 )上制作微细的电极，电产生或检测。 利用它的东西被称为表面声波器件，被用于触摸屏的传感器和频率滤波器等。 特别是在手机上，为了过滤高频信号，每台安装了多个表面声波器件。 如上所述，表面声波器件作为通信设备和传感器的部件很重要，但另一方面，伴随动作的电力消耗大经常成为问题。在这样的背景下，被称为拓扑声波导(注5 )的东西备受瞩目。 这是以数学领域的拓扑学概念为基础的特殊声波传输路径，原理上能量的散失极小，因此消耗电力大幅降低藏着可能性。 迄今为止，拓扑声波导的研究也在世界范围内展开，但大部分都是以kHz这一低频带空气中的声音为研究对象。 另一方面，与现行的表面声波器件具有亲和性的高频带拓扑波导由于实验上的困难，没有实现。 ○成果内容 本研究小组为了实现在高频带工作的拓扑声波导，如图1所示在压电体表面制作了微细金属的周期结构。 将拓扑结构不同的两种排列图案在中央接合(图2(a )和2(b ) )，设计成其边界为声波的波导。 为了验证它作为拓扑波导的作用，我们通过一种叫做扫描微波阻抗显微镜(注6 )的特殊显微镜对表面声波的传播情况进行了可视化。 结果，在约2.4GHz高频率的表面弹性波中，观测到了沿着两个结构的边界传播的情况(图2(c ) )。 另外，通过对频率变化的实验和理论计算的分析，发现此次制作的金属图案作为拓扑声波导发挥作用。 ○意义课题展望 本成果是通过在表面声波器件上绘制金属图案这一比较简单的方法实现了拓扑声波导。 工作频率约为2.4GHz，是迄今为止报告的拓扑声波导中最高的，并且与表面声波器件也有亲和性。 因此，通过嵌入本成果得到的波导，有望实现超低功耗的表面声波器件。 这被认为有助于各种电子设备的高性能化，例如大幅延长手机的电池续航时间等。 此外，波导还可以在空间中封装和携带声波，因此有可能将其作为量子计算的关键技术应用，例如利用它高效地将表面声波与其他量子比特(注7 )耦合。