数学のトポロジー概念で高周波の新型音響導波路を開発 東北大学

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東北大学金属材料研究所は2023年1月4日、数学分野のトポロジーの概念をもとに、物質の表面に特殊な音波の導波路を開発したと発表した。この導波路は、超低消費電力の表面弾性波デバイスの開発につながることが期待される。

空気や物質の振動が波として伝わる現象である音波の中でも、物質の表面を伝わっていく音波は表面弾性波と呼ばれる。これを利用した電子素子に表面弾性波デバイスがあり、タッチパネルのセンサや周波数フィルタなどに用いられているが、動作に伴う電力消費が大きいことが課題となっていた。

こうしたことから、数学分野のトポロジーという概念をもとにした、特殊な音波の伝送路であるトポロジカル音響導波路が着目されており、世界的に研究されてきた。しかし、kHzという低周波数帯で空気中の音を対象としたものがほとんどだった。現行の表面弾性波デバイスと親和性のある高周波数帯では、実験的な難しさもあって実現していなかった。

研究グループは、高周波数帯で動作するトポロジカル音響導波路の実現に向け、圧電体表面に微細な金属の周期構造を作成。中央で、トポロジーの異なる2種類の配列パターンを接合して、境界が音波の導波路になるように設計した。

a.トポロジーの異なる二種類の微細金属パターンA、Bの走査型電子顕微鏡像。b、c.走査型マイクロ波顕微鏡で観測した凹凸像と2.38GHzの表面弾性波に由来するコントラスト

次に、走査型マイクロ波インピーダンス顕微鏡と呼ばれる特殊な顕微鏡を用い、表面弾性波の伝搬する様子を可視化。トポロジカル導波路として動作するか確かめたところ、二つの構造の境界に沿って伝搬していく様子が、約2.4GHzという高周波数の表面弾性波で観測された。周波数を変えた実験や理論計算の解析により、トポロジカル音響導波路として、作成した金属パターンが働いていることが明らかになった。

この成果は、トポロジカル音響導波路を、金属パターンを表面弾性波デバイス上に描画するという比較的簡単な手法で実現したものとなる。動作周波数は、これまでのトポロジカル音響導波路の中で最も高い約2.4GHzを達成しており、表面弾性波デバイスとも親和性がある。

この導波路は、表面弾性波デバイス上に組み込むことで、表面弾性波デバイスを超低消費電力化することが期待される。例えば、携帯電話のバッテリー持続時間を大幅に延ばせるなど、さまざまな電子機器の高機能化への貢献が考えられる。また、音波を空間的に閉じ込めて運ぶことができる導波路の性質は、量子コンピューティングの要素技術としても応用できる可能性がある。

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