Фізики розробили мікроскопічну "платформу", яка здатна регулювати звукові хвилі.

Науковці з трьох університетів розробили унікальну мембрану завтовшки 20 мільйонних міліметра для транспортування фононів у мікросхемах.

Фізики з Університету Констанца, Копенгагенського університету та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха створили найменший у світі "батут", який може коливатися в різних напрямках і навіть "огинати кути". Цей мікроскопічний пристрій має ширину лише 0,2 міліметра, а товщина його поверхні становить всього 20 мільйонних міліметра.

Незвичайний батут являє собою перфоровану мембрану з нітриду кремнію з регулярним візерунком округлих трикутних отворів. Попри свою надтонкість та перфорацію, ця конструкція практично не втрачає імпульсу під час коливань і може рухатися майже нескінченно довго після початкового поштовху.

Особливістю цього батута є здатність коливатися одночасно в різних напрямках на різних ділянках поверхні. У центральній частині навіть утворюється своєрідний "батут у батуті", де коливання рухаються по ідеальному трикутному візерунку, огинаючи кути.

Насправді цей пристрій є хвилеводом для фононів -- квантів звуку, які представляють елементарні збудження кристалічної решітки твердих тіл. Фонони можна порівняти зі звуковими квантами, на яких базуються вібрації кристалічної структури матеріалів.

Основною метою розробки цього батута є показ нових способів транспортування фононів, зокрема для застосування в мікросхемах, де сигнали повинні проходити через вузькі вигини та складні траєкторії. Особлива поверхнева структура, створена на основі принципів математичної топології, дозволяє фононам рухатися "під кутом" майже без втрати імпульсу.

Результати експериментів виявилися надзвичайно успішними. За допомогою цього батута фонони можуть огинати навіть гострі повороти під кутом 120 градусів з мінімальними втратами імпульсу. Кількість фононів, які "відскакують" назад замість того, щоб огинати поворот, становить менше одного на десять тисяч.

"Ці надзвичайно низькі втрати відповідають рівню сучасних телекомунікаційних пристроїв", -- зазначає фізик з Констанца Одед Цільберберг. Саме він зацікавлений у вивченні топологічних ефектів у поверхневих структурах та їх практичному застосуванні.

Цільберберг переконаний, що за допомогою цього підходу вдасться створити спеціалізовані "шляхи для фононів". Він запропонував оригінальний дизайн батута, а його партнери з Копенгагенського університету та Швейцарської вищої технічної школи в Цюриху реалізували цю концепцію.

Функціонування цього пристрою ґрунтується на управлінні звуковими хвилями, які проходять через спеціально розроблену топологічну структуру. Перфорована мембрана формує унікальні умови для розповсюдження фононів, що дає змогу їм переміщатися за визначеними маршрутами з мінімальними енергетичними втратами.

Це відкриття має важливе значення для розвитку мікроелектроніки, особливо для створення більш ефективних мікросхем. У сучасних електронних пристроях часто виникає необхідність направляти сигнали через складні геометричні конфігурації, і традиційні методи часто супроводжуються значними втратами енергії.

Використання принципів топологічної фізики при розробці хвилеводів відкриває нові горизонти для зменшення розмірів електронних компонентів та підвищення їх продуктивності. Можливість ефективного направлення фононів з незначними втратами може кардинально змінити методи проєктування майбутніх мікроелектронних систем.

Дослідники також розглядають можливість масштабування цієї технології. Цільберберг жартома зазначив, що принципово можливо створити батут людських розмірів, який працював би за тим самим принципом, хоча він застеріг, що користуватися таким пристроєм слід було б лише в захисному шоломі.

Результати даного дослідження були опубліковані в авторитетному науковому виданні Nature, що свідчить про значну наукову цінність і інноваційність отриманих висновків. Ця робота ілюструє ефективне злиття теоретичних основ топологічної фізики з практичними інженерними підходами.

Створення мікроскопічного батута для фононів представляє собою важливий крок у розвитку квантової акустики та нанофотоніки. Ця технологія може знайти застосування не лише в мікроелектроніці, але й у створенні нових типів сенсорів, актуаторів та інших пристроїв, які використовують контрольоване поширення механічних коливань на наномасштабі.