物聯網技術的普及使得日常硬體和新產品也成為了話匣子，但它也有一個缺點：共享無線電波的設備越多，它們之間的通訊就越困難。預計到 2030 年，近 300 億台聯網設備將使用不同的無線標準運行，同時共享相同的頻段，可能會相互幹擾。為了克服這個問題，日本的研究人員表示，他們已經開發出一種方法來縮小過濾幹擾訊號的設備的尺寸。該技術不是將許多單獨的濾波器組合在一起，而是將它們組合到單個晶片上。

為了使智慧型手機能夠在不同的國家/地區使用不同的通訊標準，它們需要數十個濾波器來阻擋不必要的訊號。但這些濾波器可能很昂貴，並且總共佔用了手機中相對較大的空間。隨著電磁頻譜日益擁擠，工程師將不得不在手機和其他小工具中塞入更多濾波器，這意味著需要進一步小型化。日本電信 NTT 和岡山大學的研究人員表示，他們已經開發出一種技術，可以將所有這些濾波器縮小到一個設備，他們將其描述為超音波電路，可以引導訊號而不會無意中散射訊號。

超音波電路包含類似於智慧型手機中使用的表面聲波 (SAW) 濾波器的濾波器。 SAW 濾波器將電子射頻訊號轉換為基板表面上的機械波，然後再轉換回來，從而濾除該過程中的特定頻率。由於機械波比產生機械波的射頻波短數千倍，因此 SAW 濾波器可以變得緊湊。

今天的濾波器透過將不需要的射頻訊號轉換為超音波訊號並再轉換回來來篩選掉這些訊號。新的研究可能會找到一種將許多此類濾波器整合到單一晶片上的方法。NTT公司

“在未來的物聯網社會，通訊頻寬和方式都會增加，因此我們在智慧型手機中將需要數百個超音波濾波器，但我們不能為它們分配很大的面積”，因為電池、顯示器、處理器和其他組件也需要空間， NTT 奈米力學研究小組的高級研究科學家 Daiki Hatanaka 說。 「我們的技術使我們能夠將超音波限制在微米級的非常狹窄的通道中，然後按照我們想要的方式引導訊號。基於這種超音波電路，我們可以在一個晶片上整合許多濾波器。

谷贗自旋依賴性輸運

沿著改變方向的路徑引導超音波可能會導致反向散射，從而降低訊號品質。為了解決這個問題，Hatanaka 及其同事利用了岡山大學對聲學拓樸結構的研究。拓樸學是一門數學，研究不同的形狀在滿足特定條件的情況下如何被認為是等價的——典型的例子是甜甜圈和咖啡杯是等價的，因為它們都只有一個孔。但正如 2016 年諾貝爾物理學獎所強調的那樣，它也用於探索包括超導在內的奇異物質狀態。

在他們的實驗中，日本的研究人員製作了一種由具有三重旋轉對稱性的周期性孔陣列組成的波導。當兩個彼此旋轉 10 度的孔陣列相遇時，就會出現一種稱為谷贗自旋的拓樸特性。在這個邊緣，微小的超音波渦流以相反的方向“贗自旋”，產生一種獨特的超音波，稱為谷贗自旋依賴傳輸。據 NTT 稱，即使波導中存在急劇彎曲，它也只能在一個方向上傳播 0.5 GHz 訊號。因此訊號不會受到反向散射。

「超音波谷態的偏振方向自動迫使其僅沿一個方向傳播，並且禁止反向散射，」Hatanaka 說。 “

NTT 表示，千兆赫拓樸電路是同類中的第一個。研究團隊現在正嘗試製造一種在單一晶片上連接 5 到 10 個濾波器的波導。最初的晶片約為1平方厘米，但研究人員希望將其縮小到幾百平方微米。在第二階段的研究中，他們將嘗試動態控制超音波、放大訊號、轉換其頻率，並將這些功能整合到一個系統中。

隨著研究的進展，該公司將在未來兩年內考慮商業化計畫。 Hatanaka 表示，如果這項研究成為商業產品，對未來智慧型手機和物聯網系統的影響可能會很重要。他估計，未來的高階智慧型手機可能配備多達 20 個左右的超音波電路。

「我們可以利用節省的空間來獲得更好的用戶體驗，因此透過使用超音波濾波器或其他類比訊號組件，我們可以改進顯示器或電池或其他重要組件，以提高用戶體驗，」他說。