拓撲聲學晶體管為無耗散電子電路指明方向。

要制造出能量消耗遠遠小于當今晶體管的未來器件，可能要通過一種名為拓撲絕緣體的特殊材料來實現。在這種材料中，電流只會沿表面和邊緣流動，幾乎不耗散能量。在為這類電子拓撲晶體管鋪路的研究中，目前哈佛大學的科學家已經發明并對首個聲學拓撲晶體管進行了仿真，這種晶體管利用的是聲波而非電子。

拓撲學是數學的一個分支，主要探索不受變形影響的性質。例如，一個環狀物體可以變成馬克杯的形狀，其中環狀物的洞變成了馬克杯的把手。不管怎樣，只要該物體的形狀不做根本性的改變，它就不會失去那個洞。

應用來源于拓撲學的見解，研究人員于2007年開發出了第一個電子拓撲絕緣體。沿材料邊緣或表面快速移動的電子受到了“拓撲保護”，這意味著，在遇到可能任何干擾時，電子流動模式都保持不變，相關發明者的這一發現獲得了2016年諾貝爾物理學獎。之后，科學家設計了光子拓撲絕緣體，在這種絕緣體中，光受到了相似的保護。

不過，要制造可在拓撲材料中開關無能量耗散電子流的電子拓撲晶體管，需要解決復雜的量子力學問題。哈佛大學科學家繞開了這種復雜性，轉而利用聲波而非電荷來制造聲學拓撲晶體管。

但制造聲學拓撲晶體管同樣不容易。“我們知道，我們的拓撲邏輯方法是可行的，但仍然需要找到切實可行的材料，讓它可以真正工作。”目前的該研究第一作者、牛津大學的哈里斯•皮里（Harris Pirie）說，“我們采用了近似蠻干的方法。在一個夏季，我們同時在大約20臺計算機上運行了計算，測試幾千種不同材料和設計方案。”

哈佛大學研究人員選定的設計方案包括一個由鋼柱組成的蜂巢晶格，鋼柱錨定在另一種材料制成的基板上。它們都被封裝在一個密封盒里。基板材料在受熱時會急劇膨脹。

蜂巢晶格一端的鋼柱越來越大，另一端的鋼柱越來越小。鋼柱在尺寸和間距上的差別會控制晶格的拓撲，這反過來會影響聲波能否流經特定鋼柱集合。例如，溫度為20℃時，超聲波無法通過設備，但在90℃時，超聲波卻可以沿著設備邊緣暢通無阻地快速移動。實質上，熱可以將設備從一種狀態切換為另一種狀態，類似電在傳統晶體管中的作用。

研究人員指出，這些聲學拓撲晶體管是可擴展的。皮里說，這意味著同樣的設計也適用于千兆頻率的電路，可以用來處理量子信息。

“一般來說，拓撲保護聲波傳播控制可以應用于許多重要領域，例如降噪、聲音單向傳播、超聲成像、回聲定位、隱聲衣和聲波通信。”他說。

用于開發聲學拓撲晶體管的設計原則可以相當簡單的方式應用到光學器件中。“起碼從原則上是這樣的，因為聲波方程在數學上映射著光學方程。”皮里說。這意味著，聲波和光波的物理特性足夠相似，一種拓撲晶體管的經驗可以容易地轉化用于其他類型的拓撲晶體管。

不過，皮里說：“電子學中不存在這種映射。”利用該項成果開發電子拓撲晶體管更具挑戰性。“在電子學中，我們還是可遵從同樣的總體方案，前提是找到可用的合適材料。”他這樣說。

審核編輯：劉清