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～

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図２：(a) 作製した素子の電子顕微鏡写真と模式図。(b) 超音波導波路の模式図。異なる擬スピンの回転方向（すなわち異なるトポロジー）を持つ二つの領域に挟まれた境界（エッジ）において、反射なく安定した超音波の伝搬が生じます。内部の孔が、それぞれ右回り（黄色）ならびに左回り（ピンク色）に5°だけ傾いています。

　この現象は「バレー擬スピン依存伝導」と呼ばれ、トポロジカル秩序によって保護された頑強で安定した進行波となります。そのため、急な曲がり角があっても、通常の超音波のような後方への反射は起こらず、エッジの形状に沿って滑らかに伝わります（図３）。
　この特性を活用することで、従来の技術では難しかった折れ曲がった小型導波路構造における反射の問題を解消し、超音波デバイスの小型化や複合化が可能になります。そして、従来技術を使った場合よりも100分の1以下に省スペース化したリング・導波路結合構造を作製し、ギガヘルツ超音波フィルタの基本動作を実証しました（図４）。
　なお、本研究開発は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（S）「極超音波トポロジカルフォノニクスの開拓と多機能弾性デバイスの開発」（研究課題番号：JP21H05020）と同・基盤研究（S）「超高速マグノフォノニック共振器デバイス」（研究課題番号： JP23H05463）による支援を受けています。


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図３：従来の超音波回路 (a) とトポロジカル超音波回路 (b) をギガヘルツ超音波が伝搬する様子（計算）。従来の回路は、周期孔の無い部分が導波路になっており、途中の120°折れ曲がった角で超音波は強い反射を受けます。一方で、トポロジカル回路では、反射を受けることなく滑らかに出口まで伝わります。 両回路の周期穴間隔と入力した超音波の周波数は同程度であり、それぞれ4マイクロメートルと0.5 GHz です。 (c) アルファベットの”Z”のような形状をしたトポロジカル回路を伝わる超音波伝搬の測定結果。黄色の破線はエッジ部を示しています。