未来的晶体管可能会比现在的器件消耗更少的能量，它可能会依赖于一种叫做“拓扑绝缘体”的奇异材料，在这种材料中，电流只流过表面和边缘，几乎没有能量耗散。在一项可能有助于为这种电子拓扑晶体管铺平道路的研究中，哈佛大学的科学家们现在已经发明并模拟了第一个声波拓扑晶体管，这种晶体管利用声波而不是电子工作。

拓扑学是数学的一个分支，它探索与变形无关的形状的本质。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以被变形成一个杯子的形状，这样甜甜圈的孔就变成了杯子柄上的孔。然而，这个物体不可能失去这个洞而变成一个完全不同的形状。

利用拓扑学的见解，研究人员在2007年开发了第一个电子拓扑绝缘体，沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子是“拓扑保护”的，这意味着在面对可能遇到的任何干扰时，电子流动的模式将保持不变，这一发现帮助赢得了2016年的诺贝尔物理学奖。科学家们后来设计了光子拓扑绝缘体，其中的光也得到了类似的保护。

然而，在拓扑材料中创造无耗散的电子流动能够开关的电子拓扑晶体管需要处理复杂的量子力学。通过使用声学拓扑绝缘体，其中声波可以经历拓扑保护，科学家们能够避开这种复杂性，创造声学拓扑晶体管。

然而，设计一个声学拓扑晶体管并不容易。“我们知道我们的拓扑逻辑方法是可行的，但我们仍然需要找到一种可行的材料选择，它实际上是可行的，我们采用了一种相当强力的方法——有一个夏天，我们在大约20台计算机上同时进行计算，以测试数千种不同的材料和设计。”该研究的第一作者哈里斯·皮里(Harris Pirie)说，他目前在牛津大学。

尽管科学家们发现有许多设计几乎成功，但这些设计似乎总是在某种程度上被妥协——例如，设备太大了，不实用。然后有一天，我们终于找到了一个满足所有限制条件的设计，我们的灵感迸发了!在那之后，就只剩下设计辅助部件的问题了——热转换器，膨胀的底板——让它正常工作。

该设计由蜂窝结构的钢柱锚定在另一种物质制成的板上，全部密封在一个密封的盒子里。这块板是由一种加热时膨胀很大的材料制成的。

该装置的晶格一侧有稍大的柱子，另一侧有稍小的柱子。这些柱子的大小和间距的差异决定了晶格的拓扑结构，这反过来又影响了声波是否能穿过一组柱子。例如，在20摄氏度的温度下，超声波无法通过设备，但在90摄氏度的温度下，它可以沿着设备两侧的边缘快速移动。从本质上说，热可以使这个装置从一种状态切换到另一种状态，就像电在传统晶体管中的作用一样。

科学家们还设计了另一种装置，可以将超声波转化为热量。当两个器件耦合在一起时，一个晶体管可以控制下一个晶体管的状态，就像传统晶体管中的电流可以切换其他晶体管一样。

研究人员指出，这些声学拓扑晶体管是可伸缩的。这意味着同样的设计也可以用于通常用于处理量子信息的电路中使用的千兆赫频率。更普遍地说，拓扑保护的声传输控制在许多重要领域都有应用，包括有效的声噪声降低、单向声传播、超声波成像、回声定位、声隐身和声通信。

用于开发声拓扑晶体管的设计原理可以以一种相当直接的方式应用于光子器件，至少在原则上，因为声波方程在数学上映射到它的光子对应物上，声波和光波的物理性质非常相似，所以一种拓扑晶体管的经验可以很容易地转化为另一种拓扑晶体管。

这种映射在电子学中并不存在，这使得从这项工作中开发电子拓扑晶体管更具挑战性。然而，我们仍然有可能在电子学上遵循同样的通用方案——我们只需要找到合适的材料来使用。