Topologische isolatoren zijn materialen waarvan de structuur fotonen en elektronen dwingt om alleen langs de materiaalgrens en slechts in één richting te bewegen. Deze deeltjes ondervinden weinig weerstand en reizen vrij langs obstakels zoals onzuiverheden, fabricagefouten, een verandering van de baan van het signaal binnen een circuit, of objecten die opzettelijk in het pad van de deeltjes zijn geplaatst. Dat komt omdat deze deeltjes, in plaats van te worden weerkaatst door het obstakel, ga er omheen "als rivierwater dat langs een rots stroomt, " zegt prof. Romain Fleury, hoofd van EPFL's Laboratory of Wave Engineering, binnen de Technische School.

Tot nu, de uitzonderlijke veerkracht van deze deeltjes tegen obstakels, alleen van toepassing op beperkte verstoringen in het materiaal, wat betekent dat deze eigenschap niet op grote schaal kon worden misbruikt in op fotonica gebaseerde toepassingen. Echter, dat zou snel kunnen veranderen dankzij onderzoek dat wordt uitgevoerd door Prof. Fleury samen met zijn Ph.D. student Zhe Zhang en Pierre Delplace van het ENS Lyon Physics Laboratory. hun studie, verschijnen in het journaal Natuur , introduceert een topologische isolator waarin de transmissie van microgolffotonen ongekende niveaus van wanorde kan overleven.

"We waren in staat om een ​​zeldzame topologische fase te creëren die kan worden gekarakteriseerd als een abnormale topologische isolator. Deze fase komt voort uit de wiskundige eigenschappen van unitaire groepen en geeft het materiaal unieke en onverwachte transmissie-eigenschappen, " zegt Zhang.

Deze ontdekking is veelbelovend voor nieuwe ontwikkelingen in wetenschap en technologie. "Als ingenieurs hyperfrequentiecircuits ontwerpen, ze moeten heel voorzichtig zijn om ervoor te zorgen dat golven niet worden gereflecteerd, maar eerder langs een bepaald pad en door een reeks componenten worden geleid. Dat is het eerste wat ik mijn studenten elektrotechniek leer, " zegt prof. Fleury. "Deze intrinsieke beperking, bekend als impedantie-aanpassing, beperkt ons vermogen om golfsignalen te manipuleren. Echter, met onze ontdekking, we kunnen het heel anders aanpakken, door topologie te gebruiken om circuits en apparaten te bouwen zonder dat je je zorgen hoeft te maken over impedantie-aanpassing - een factor die momenteel de reikwijdte van moderne technologie beperkt."

Het lab van prof. Fleury werkt nu aan concrete toepassingen voor hun nieuwe topologische isolator. "Dit soort topologische schakelingen kunnen zeer nuttig zijn voor het ontwikkelen van communicatiesystemen van de volgende generatie, "Hij zegt. "Dergelijke systemen hebben circuits nodig die zeer betrouwbaar en gemakkelijk opnieuw te configureren zijn." Zijn onderzoeksgroep bekijkt ook hoe de ontdekking kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van nieuwe soorten fotonische processors en kwantumcomputers.