长期以来，非厄米物理研究主要局限于光学与声学平台，其在超大规模集成电路平台上的实现一直处于空白状态。然而，光学与声学两类平台只覆盖频谱的两个极端，即极高频率的光波段和极低频率的声波段。
因此，缺失了很多关于频谱中间的很大一段空隙——电磁波段对非厄米物理的研究，这极大地削弱了其在科学领域的研究广度，以及工程领域的应用范围。
此前，有极少数课题组使用分立式电子元器件以及微电子机械系统，去实现非厄米物理电学系统并探索其在电学领域的应用。但是，这类电子平台物理尺寸存在明显的缺点，如伸缩性能较差、工作频率非常有限等。因此，科学家一直在寻找伸缩性能好、覆盖频谱范围广、集成度高的非厄米物理系统电子实现平台。
与此同时，在微波信号调控领域，实现片上宽带微波信号产生和非互易性微波信号传播（单向传播）极具挑战性。一直以来，实现宽带非互易性微波信号传播是射频/毫米波芯片设计领域长期追寻的目标。
传统方法通常采用铁磁材料实现该目的，但是铁磁材料既昂贵又占用庞大的体积，而且还与半导体制造工艺互不兼容。因此，探索能够实现片上全集成的微波非互易性器件极其重要。
图丨全集成硅基芯片级的微波非厄米物理系统（来源：Nature Nanotechnology）
近期，美国圣路易斯华盛顿大学团队分别在 Nature Nanotechnology 和 Scientific Reports 发表论文，通过发掘非厄米物理与集成电路技术相辅相成的特性，非常巧妙地解决了非厄米物理和微波信号调控领域的两个关键难题，可谓“一箭双雕”。
一方面，该团队依靠现代超大规模集成电路技术，通过使用非常成熟的集成电子器件，设计组成非厄米物理系统必需的片上电路，首次实现了全集成硅基芯片级的微波非厄米物理系统。
另一方面，他们利用非厄米物理可增强系统非线性的特点，将原本集成电子器件普遍具有的非理想特质物尽其用，实现了片上宽带非互易性微波信号传播的功能。
为研究芯片级高阶非厄米物理电子系统的拓扑性质奠定了良好基础
该研究的开端是发布在Nature Nanotechnology的论文，题目为《完全集成的奇偶时间对称电子学》（Fully integrated parity–time-symmetric electronics）[1]。该论文第一作者兼通讯作者为圣路易斯华盛顿大学电气与系统工程系博士生曹卫东，共同通讯作者还有圣路易斯华盛顿大学电气与系统工程系杨兰教授、张璇教授。
“该研究首次展示了利用现代集成电路技术实现非厄米物理系统的可行性，这次突破为非厄米物理的研究开辟了一个全新的平台，同时也为集成拓扑电子学的研究提供了光明的前景。”曹卫东表示。
图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
在凝聚态物理领域，有一种奇特的物质状态——其表面处于导电状态，而内部却保持绝缘。这一性质与人们所知道的导电体和绝缘体都不一样，故而称作“拓扑绝缘体”。
这种独特的材料性质具有重大的科学意义和应用价值，可用于无线通信、雷达和量子信息处理等一系列重要技术领域。高阶的非厄米物理系统具有丰富的拓扑属性，对于研究芯片级高阶非厄米物理电子系统的拓扑性质，该团队的这一突破奠定了良好基础。
图丨曹卫东（来源：曹卫东）
沿着这一方向，8 月 4 日，该团队在 Scientific Reports 报道了在集成电路物理版图的后仿真阶段发现电路拓扑性质存在的现象。相关论文题目为《完全集成的拓扑电子学》（Fully integrated topological electronics）[2]。
图丨相关论文（来源：Scientific Reports）
集成电路物理版图是芯片制造过程中不同物理层，比如金属层、氧化物层和半导体层等一系列层堆叠的一种示意，而晶圆厂正是基于该物理版图实现流片。因此，Scientific Reports 这项论文的面世标志着我们向芯片级非厄米拓扑电子系统推进了一大步。
另一方面，该研究为非厄米物理这项前沿理论付诸于工程应用奠定了一个强有力的实践基础。现有研究表明，非厄米物理系统中的非线性会被增强，并且会导致光波或者声波非互易传输现象的产生。而非互易性可以保证波的单项传播，在无线通信以及超导量子电路中有非常重要的应用。
但是，实现全集成的非互易微波器件是一项比较艰巨的任务。当今主流的片上实现方法是采用时间调制，而这需要使用大量的集成电容电感器件，从而消耗很多宝贵的片上面积。
曹卫东表示，“我们的芯片级非厄米物理系统恰好利用集成电子器件普遍具有的非线性，在使用极少片上资源的情况下，实现了宽带非互易性微波信号传播的功能。”
图丨理论模型及其等效电子电路模型之一的图示（来源：Scientific Reports）
该研究的设计灵感来源于交叉领域的思维碰撞。杨兰教授是非厄米物理光学领域的全球著名科学家，其团队在该领域深耕过多年，具有非常丰富的理论与实验积累。而张璇教授团队则在大规模集成电路设计领域积累了丰富的经验。
一次偶然的机会，杨兰教授对张璇教授阐述了在光学平台上实现非厄米物理系统的原理，并分享已经有课题组用分立式电子元器件实现这类系统。随后，张璇教授深受启发与鼓舞，当即便决定与杨兰教授团队合作，共同探索全集成硅基芯片级的非厄米物理系统实现及其在工程领域的重大应用。
图丨耦合因子演化的全集成偏振态宇称-时间对称电子系统的特征频率和相变（来源：Nature Nanotechnology）
该研究的最大挑战主要在于片上电路设计与实现阶段。曹卫东回忆道：“杨兰教授给予了很多理论上的帮助，让我们很快进入到系统设计阶段。”
但真正落实到电路实现并成功流片测试还是遇到不少挫折。第一个难点在于，如何选择一个宽带的增益产生电路。该团队最初选择运算放大器实现这一目的，但是课题组发现，其稳定带宽只能达到兆赫兹。后来经过多方调研和讨论，他们找到现在使用的电路，即交叉耦合对，该电路在很高频率处都能产生增益。
图丨完全集成的 PT 对称电子系统的图示和表征（来源：Nature Nanotechnology）
第二个难点在于电路结构的选取。在研究初始阶段，该团队认为实现单端电路简单，可以节省片上资源，便采用它为系统的主要结构。但让他们颇为意外的是，这反而降低了系统的可靠性。
“第一次流片回来经过测试，芯片一点工作迹象也没有。我们在检查了无数遍，确认不是电路设计以及工艺库的使用问题之后，果断采用差分电路设计提高系统可靠性。最终，经过第二次流片测试成功。”曹卫东表示。
有望应用于片上超高灵敏度传感、高效率无线能量传输等
谈及全集成非厄米物理集成电子学的思想和技术可能带来的应用，曹卫东表示，“除了研究中提到的非互易微波信号传播和宽带微波信号产生，它还能在片上超高灵敏度传感、高效率无线能量传输等方面发挥重要应用。”
并且，基于此项技术延伸而成的全集成非厄米物理拓扑电子学也会带来许多应用。此前，已有研究表明芯片级集成电磁拓扑绝缘体可用于无线通讯领域。
该团队相信这项技术未来将会应用在更多领域，如极低噪声微波信号产生，超导量子比特读取与调控等。下一步，他们计划将设计的集成拓扑电子系统进行流片验证，并在后续的研究中展示它的实际应用。
图丨张璇课题组部分成员合照（来源：曹卫东）
据悉，曹卫东的本科和硕士分别毕业于清华大学和西北工业大学，其研究背景交汇于大规模集成电路设计、集成电路设计自动化、计算机体系结构和量子计算。目前，他师从张璇教授，正在圣路易斯华盛顿大学电气与系统工程系读博，主要研究方向在新型计算机体系结构，侧重于特定领域加速器设计。
他表示，“未来我想重点研究集成电路设计和计算机体系结构领域的重大问题，如模拟和射频集成电路的自动化设计，高性能计算机架构和低温超导量子控制读取电路的设计与实现等。”
其导师张璇教授团队致力于集成电路设计和自动化，计算机体系结构和微型自主机器人等交叉领域的研究。据介绍，该实验室近期的研究成果和项目包括：利用近传感计算技术实现感知合一/感算一体/感知融合的智能视觉；利用数模混合计算和近内存计算实现高能效、低能耗的终端和云端系统；利用软硬件协同设计和硬件加速实现大型推荐系统的能耗/安全/可靠性优化；以及利用深度学习实现高质量高效率的模拟和射频集成电路自动化设计。2022/2023 年度本实验室有少量博士、博士后名额，欢迎对上述研究感兴趣的学生和研究人员咨询联系（email: [email protected]）。
参考资料：
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
