長期以來，非厄米物理研究主要局限於光學與聲學平台，其在超大規模集成電路平台上的實現一直處於空白狀態。然而，光學與聲學兩類平台只覆蓋頻譜的兩個極端，即極高頻率的光波段和極低頻率的聲波段。
因此，缺失了很多關於頻譜中間的很大一段空隙——電磁波段對非厄米物理的研究，這極大地削弱了其在科學領域的研究廣度，以及工程領域的應用範圍。
此前，有極少數課題組使用分立式電子元器件以及微電子機械系統，去實現非厄米物理電學系統並探索其在電學領域的應用。但是，這類電子平台物理尺寸存在明顯的缺點，如伸縮性能較差、工作頻率非常有限等。因此，科學家一直在尋找伸縮性能好、覆蓋頻譜範圍廣、集成度高的非厄米物理系統電子實現平台。
與此同時，在微波信號調控領域，實現片上寬帶微波信號產生和非互易性微波信號傳播（單向傳播）極具挑戰性。一直以來，實現寬帶非互易性微波信號傳播是射頻/毫米波芯片設計領域長期追尋的目標。
傳統方法通常採用鐵磁材料實現該目的，但是鐵磁材料既昂貴又佔用龐大的體積，而且還與半導體製造工藝互不兼容。因此，探索能夠實現片上全集成的微波非互易性器件極其重要。
圖丨全集成硅基芯片級的微波非厄米物理系統（來源：Nature Nanotechnology）
近期，美國聖路易斯華盛頓大學團隊分別在 Nature Nanotechnology 和 Scientific Reports 發表論文，通過發掘非厄米物理與集成電路技術相輔相成的特性，非常巧妙地解決了非厄米物理和微波信號調控領域的兩個關鍵難題，可謂「一箭雙鵰」。
一方面，該團隊依靠現代超大規模集成電路技術，通過使用非常成熟的集成電子器件，設計組成非厄米物理系統必需的片上電路，首次實現了全集成硅基芯片級的微波非厄米物理系統。
另一方面，他們利用非厄米物理可增強系統非線性的特點，將原本集成電子器件普遍具有的非理想特質物盡其用，實現了片上寬帶非互易性微波信號傳播的功能。
為研究芯片級高階非厄米物理電子系統的拓撲性質奠定了良好基礎
該研究的開端是發佈在Nature Nanotechnology的論文，題目為《完全集成的奇偶時間對稱電子學》（Fully integrated parity–time-symmetric electronics）[1]。該論文第一作者兼通訊作者為聖路易斯華盛頓大學電氣與系統工程系博士生曹衛東，共同通訊作者還有聖路易斯華盛頓大學電氣與系統工程系楊蘭教授、張璇教授。
「該研究首次展示了利用現代集成電路技術實現非厄米物理系統的可行性，這次突破為非厄米物理的研究開闢了一個全新的平台，同時也為集成拓撲電子學的研究提供了光明的前景。」曹衛東表示。
圖丨相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
在凝聚態物理領域，有一種奇特的物質狀態——其表面處於導電狀態，而內部卻保持絕緣。這一性質與人們所知道的導電體和絕緣體都不一樣，故而稱作「拓撲絕緣體」。
這種獨特的材料性質具有重大的科學意義和應用價值，可用於無線通信、雷達和量子信息處理等一系列重要技術領域。高階的非厄米物理系統具有豐富的拓撲屬性，對於研究芯片級高階非厄米物理電子系統的拓撲性質，該團隊的這一突破奠定了良好基礎。
圖丨曹衛東（來源：曹衛東）
沿着這一方向，8 月 4 日，該團隊在 Scientific Reports 報道了在集成電路物理版圖的後仿真階段發現電路拓撲性質存在的現象。相關論文題目為《完全集成的拓撲電子學》（Fully integrated topological electronics）[2]。
圖丨相關論文（來源：Scientific Reports）
集成電路物理版圖是芯片製造過程中不同物理層，比如金屬層、氧化物層和半導體層等一系列層堆疊的一種示意，而晶圓廠正是基於該物理版圖實現流片。因此，Scientific Reports 這項論文的面世標誌着我們向芯片級非厄米拓撲電子系統推進了一大步。
另一方面，該研究為非厄米物理這項前沿理論付諸於工程應用奠定了一個強有力的實踐基礎。現有研究表明，非厄米物理系統中的非線性會被增強，並且會導致光波或者聲波非互易傳輸現象的產生。而非互易性可以保證波的單項傳播，在無線通信以及超導量子電路中有非常重要的應用。
但是，實現全集成的非互易微波器件是一項比較艱巨的任務。當今主流的片上實現方法是採用時間調製，而這需要使用大量的集成電容電感器件，從而消耗很多寶貴的片上面積。
曹衛東表示，「我們的芯片級非厄米物理系統恰好利用集成電子器件普遍具有的非線性，在使用極少片上資源的情況下，實現了寬帶非互易性微波信號傳播的功能。」
圖丨理論模型及其等效電子電路模型之一的圖示（來源：Scientific Reports）
該研究的設計靈感來源於交叉領域的思維碰撞。楊蘭教授是非厄米物理光學領域的全球著名科學家，其團隊在該領域深耕過多年，具有非常豐富的理論與實驗積累。而張璇教授團隊則在大規模集成電路設計領域積累了豐富的經驗。
一次偶然的機會，楊蘭教授對張璇教授闡述了在光學平台上實現非厄米物理系統的原理，並分享已經有課題組用分立式電子元器件實現這類系統。隨後，張璇教授深受啟發與鼓舞，當即便決定與楊蘭教授團隊合作，共同探索全集成硅基芯片級的非厄米物理系統實現及其在工程領域的重大應用。
圖丨耦合因子演化的全集成偏振態宇稱-時間對稱電子系統的特徵頻率和相變（來源：Nature Nanotechnology）
該研究的最大挑戰主要在於片上電路設計與實現階段。曹衛東回憶道：「楊蘭教授給予了很多理論上的幫助，讓我們很快進入到系統設計階段。」
但真正落實到電路實現並成功流片測試還是遇到不少挫折。第一個難點在於，如何選擇一個寬帶的增益產生電路。該團隊最初選擇運算放大器實現這一目的，但是課題組發現，其穩定帶寬只能達到兆赫茲。後來經過多方調研和討論，他們找到現在使用的電路，即交叉耦合對，該電路在很高頻率處都能產生增益。
圖丨完全集成的 PT 對稱電子系統的圖示和表徵（來源：Nature Nanotechnology）
第二個難點在於電路結構的選取。在研究初始階段，該團隊認為實現單端電路簡單，可以節省片上資源，便採用它為系統的主要結構。但讓他們頗為意外的是，這反而降低了系統的可靠性。
「第一次流片回來經過測試，芯片一點工作跡象也沒有。我們在檢查了無數遍，確認不是電路設計以及工藝庫的使用問題之後，果斷採用差分電路設計提高系統可靠性。最終，經過第二次流片測試成功。」曹衛東表示。
有望應用於片上超高靈敏度傳感、高效率無線能量傳輸等
談及全集成非厄米物理集成電子學的思想和技術可能帶來的應用，曹衛東表示，「除了研究中提到的非互易微波信號傳播和寬帶微波信號產生，它還能在片上超高靈敏度傳感、高效率無線能量傳輸等方面發揮重要應用。」
並且，基於此項技術延伸而成的全集成非厄米物理拓撲電子學也會帶來許多應用。此前，已有研究表明芯片級集成電磁拓撲絕緣體可用於無線通訊領域。
該團隊相信這項技術未來將會應用在更多領域，如極低噪聲微波信號產生，超導量子比特讀取與調控等。下一步，他們計劃將設計的集成拓撲電子系統進行流片驗證，並在後續的研究中展示它的實際應用。
圖丨張璇課題組部分成員合照（來源：曹衛東）
據悉，曹衛東的本科和碩士分別畢業於清華大學和西北工業大學，其研究背景交匯於大規模集成電路設計、集成電路設計自動化、計算機體系結構和量子計算。目前，他師從張璇教授，正在聖路易斯華盛頓大學電氣與系統工程系讀博，主要研究方向在新型計算機體系結構，側重於特定領域加速器設計。
他表示，「未來我想重點研究集成電路設計和計算機體系結構領域的重大問題，如模擬和射頻集成電路的自動化設計，高性能計算機架構和低溫超導量子控制讀取電路的設計與實現等。」
其導師張璇教授團隊致力於集成電路設計和自動化，計算機體系結構和微型自主機械人等交叉領域的研究。據介紹，該實驗室近期的研究成果和項目包括：利用近傳感計算技術實現感知合一/感算一體/感知融合的智能視覺；利用數模混合計算和近內存計算實現高能效、低能耗的終端和雲端系統；利用軟硬件協同設計和硬件加速實現大型推薦系統的能耗/安全/可靠性優化；以及利用深度學習實現高質量高效率的模擬和射頻集成電路自動化設計。2022/2023 年度本實驗室有少量博士、博士後名額，歡迎對上述研究感興趣的學生和研究人員諮詢聯繫（email: [email protected]）。
參考資料：
1.Cao, W., Wang, C., Chen, W. et al. Fully integrated parity–time-symmetric electronics. Nature Nanotechnology 17, 262–268 (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-021-01038-4
2.Liu, Y., Cao, W., Chen, W. et al. Fully integrated topological electronics. Scientific Reports 12, 13410 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17010-8
