研究人员开发出更小的光子拓扑绝缘体

CUNY/NATURE ELECTRONICS

一种新型设备覆盖更广的频率范围，可以增强5G、雷达和量子计算机的性能。

一项新的研究发现，被称为光子拓扑电磁电路的新型设备有朝一日可能支持5G无线宽带网络和先进的雷达系统。

拓扑学是数学的一个分支，它探索形状的哪些特征可能在变形后仍然存在。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以变形成杯子的形状，这样甜甜圈的洞就形成了杯柄上的洞。然而，物体无法在失去原有的洞的基础上，还仍然保持相同的形状。

利用拓扑学的观点，研究人员于2007年开发了第一种电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式在遇到任何干扰时将保持不变，这一发现帮助了2016年诺贝尔物理学奖的研究。

科学家后来设计了光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光也受到类似的保护。这种材料的一个可能应用是具有拓扑保护的激光器，与传统设备相比，这种激光器可能对缺陷具有更高的效率和鲁棒性。另一个是帮助数据以每秒万亿位的速度在芯片间传输。

光子拓扑绝缘体的有用特性通常来源于其结构的规则变化。这使得特定波长的光沿着材料的外部流动，而不会散射或损失。

然而，这种产生光子拓扑保护的方法有许多缺点。一个问题是，这些结构变化的大小至少是它们所操纵波长的一半。这不仅会使这些材料体积庞大，还会限制它们可以瞄准的波长范围。

在这项新的研究中，研究人员没有创造一种光子拓扑绝缘体，其特性取决于材料在空间中的结构如何变化，而是创造了一种特性随时间变化的设备。它由一个由16个相同单元组成的方形晶格组成，每个单元由8个电容器组成，这些电容器可以按模式开关，从而使每个单元的电场以螺旋方式旋转。

这种新型光子拓扑电磁电路的主要优点是其单元远小于其目标波长，使其比早期的光子拓扑绝缘体紧凑100至1000倍。此外，它可以操控比以前的设备更宽的波长范围，频率可达千兆赫兹。

“我们已经能够证明光子拓扑绝缘体的带宽得到了极大的提高，同时足迹也得到了极大的减少，这让我特别兴奋，”该研究的高级作者、纽约城市大学研究生中心的电气工程师Andrea Alù说，“我相信这两项进步使光子拓扑绝缘体的整个领域更加接近了实际应用和影响。”

Alù和他的同事将他们新的3.5×3.4毫米设备集成到CMOS芯片上，使他们能够实时重新配置电路。电磁波可以以拓扑保护的方式传播，而不会沿设备边界扩散。

研究人员调查了这种新设备如何作为5G无线系统的天线接口。他们试验的全双工相控阵系统可以潜在地将双倍容量的好处与多天线系统的复用增益结合起来。传统上，这些系统往往难以应对每对发射机和接收机中可能出现的复杂干扰。

科学家们发现，他们的设备可以帮助730兆赫全双工相控阵系统中的八根天线中的每一根独立地同时工作。这有助于抑制天线之间的干扰，并允许同时传输和接收宽带无线电信号，以提高其数据速率。

Alù和他的同事还试验了他们的新设备，作为超宽带脉冲雷达系统的天线接口。脉冲雷达在大带宽上扫描具有短暂微弱无线电信号的区域，这一策略可将对其他无线系统的干扰降至最低，并对附近的无线电信号具有高免疫力。

在大带宽上发送和接收雷达信号的挑战常常导致传统超宽带脉冲雷达与噪声或大尺寸或两者都难以解决。在实验中，新的光子拓扑绝缘体可以帮助超宽带脉冲雷达阵列塑造来自多个发射机和接收机的波束，使系统更小、噪音更小。

“我们对将这些发现应用于无线通信和雷达系统的前景感到非常兴奋，”Alù说。此外，研究人员表示，光子拓扑绝缘体可能会在更健壮、容错的量子计算机中得到应用。

科学家们于近日在《自然电子学》杂志上在线详细介绍了他们的发现。