世界で初めてトポロジーの原理を利用したギガヘルツ超音波回路を実現 ～無線通信用高周波フィルタの小型・高性能化に向けた要素技術を実現～

図１：既存の超音波フィルタ（上）とトポロジカル超音波フィルタ回路（下）の模式図。既存の超音波フィルタでは1デバイスにつき単一のフィルタ機能を持ちます。一方で、トポロジカル超音波フィルタ回路では、微細な回路構造を用いて多数のフィルタを微小基板上に集積できるため、1デバイスにつき複数のフィルタ機能を実現可能になります。

　無線通信端末は、Wi-Fi、Bluetoothなどの通信方式や使用する国や地域によって、さまざまな通信帯域を利用します。例えば、ハイエンドのスマートフォンは100個近い超音波フィルタを搭載していると言われており、これによって異なる帯域の信号を効率的に送受信できるようになります。近未来のより高度に発展したIoT社会では、ますます多くのフィルタが必要となり、更なる小型化が重要になってきます。そのためには、電気の配線のように、細い経路（導波路）に振動を閉じ込めて所望の方向に導くことができる超音波の回路が必要です。しかしながら、超音波は曲げることが難しく、急な方向の変化は直ぐに後方反射を引き起こすという問題がありました。それゆえ、微細な超音波回路を実現することはこれまで困難でした。
　今回、NTTと岡山大学は、数学の理論であるトポロジー（※１）を新たに活用して、ギガヘルツ超音波の後方への反射を抑えて伝搬できる「トポロジカル超音波回路」を実現しました。この回路を伝わる超音波は、周囲の周期孔の形状によってつくられるトポロジカル秩序（※２）で守られ、反射がなく安定した伝搬を示します。そのため、導波路の形状に関係なく、超音波は反射せずに滑らかに伝わります。今回の検証により、この性質をもつトポロジカル超音波回路を利用して、従来技術を使うと数万平方マイクロメートルほどのサイズになってしまう超音波フィルタを、その100分の1以下である数百平方マイクロメートルのサイズへの小型化に成功しました。この成果は、無線通信端末で広く使用されている超音波フィルタの小型・集積化や多機能化を可能とする技術として期待されます（図１）。

2．実験の概要
　導波路構造は、左回りまたは右回りに5°だけ傾けた周期孔からなる二種類のトポロジカル構造を持っています。この構造のエッジ（接合面）に外部から超音波を加えると、互いに反対方向に回転する「バレー擬スピン（※３）」が発生し、エッジに沿って一方向に進む超音波伝搬が生じます（図２）。