Topologische isolatoren zijn een baanbrekende materiaalklasse; geladen deeltjes kunnen vrij langs hun randen stromen en zichzelf om defecten heen leiden, maar kunnen niet door hun interieur. Deze perfecte oppervlaktegeleiding is veelbelovend voor snelle en efficiënte elektronische schakelingen, hoewel ingenieurs te kampen hebben met het feit dat het interieur van dergelijke materialen in feite verspilde ruimte is.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, waar topologische isolatoren voor het eerst werden ontdekt in 2005, hebben een manier laten zien om die belofte waar te maken in een veld waar fysieke ruimte een nog grotere premie is:fotonica. Ze hebben laten zien, Voor de eerste keer, een manier voor een topologische isolator om gebruik te maken van zijn volledige voetafdruk.

Door fotonen te gebruiken in plaats van elektronen, fotonische chips beloven nog hogere gegevensoverdrachtsnelheden en informatierijke toepassingen, maar de componenten die nodig zijn om ze te bouwen blijven aanzienlijk groter dan hun elektronische tegenhangers, vanwege het ontbreken van een efficiënte data-routing-architectuur.

Een fotonische topologische isolator met randen die on-the-fly kunnen worden geherdefinieerd, echter, zou helpen het voetafdrukprobleem op te lossen. Door deze "wegen" naar behoefte om elkaar heen te kunnen leiden, kan het hele binnenvolume worden gebruikt om efficiënt datalinks te bouwen.

Onderzoekers van Penn's School of Engineering and Applied Science hebben voor het eerst zo'n apparaat gebouwd en getest. hun bevindingen publiceren in het tijdschrift Wetenschap .

"Dit kan een grote impact hebben op toepassingen met grote informatiecapaciteit, zoals 5G, of zelfs 6G, mobiele netwerken, " zegt Liang Feng, assistent-professor in de afdelingen Materials Science and Engineering en Electrical and Systems Engineering van Penn Engineering.

"We denken dat dit de eerste praktische toepassing is van topologische isolatoren, " hij zegt.

Feng leidde de studie samen met afgestudeerde student Han Zhao, een lid van zijn laboratorium. Mede-lab leden Xingdu Qiao, Tianwei Wu en Bikashkali Midya, samen met Stefano Longhi, professor aan de Polytechnische Universiteit van Milaan in Italië, ook bijgedragen aan het onderzoek.

De datacenters die de ruggengraat vormen van communicatienetwerken routeren oproepen, teksten, e-mailbijlagen en het streamen van films naar en tussen miljoenen mobiele apparaten. Maar naarmate de hoeveelheid data die door deze datacenters stroomt toeneemt, dat geldt ook voor de behoefte aan dataroutering met hoge capaciteit die aan de vraag kan voldoen.

Overschakelen van elektronen naar fotonen zou dit proces versnellen voor de aanstaande informatie-explosie, maar ingenieurs moeten eerst een hele nieuwe bibliotheek met apparaten ontwerpen om die fotonen van invoer naar uitvoer te krijgen zonder ze door elkaar te halen en ze tijdens het proces te verliezen.

Vooruitgang in gegevensverwerkingssnelheid in elektronica was afhankelijk van het steeds kleiner maken van hun kerncomponenten, maar fotonica-onderzoekers hadden een andere aanpak nodig.

Feng, Zhao en hun collega's wilden de complexiteit van fotonische golfgeleiders - de voorgeschreven paden die individuele fotonen nemen op hun weg van input naar output - op een bepaalde chip maximaliseren.

De prototype fotonische chip van de onderzoekers is ongeveer 250 micron in het kwadraat, en heeft een mozaïekpatroon van ovale ringen. Door de chip te "pompen" met een externe laser, gericht op het veranderen van de fotonische eigenschappen van individuele ringen, ze kunnen veranderen welke van die ringen de grenzen van een golfgeleider vormen.

Het resultaat is een herconfigureerbare topologische isolator. Door de pomppatronen te veranderen, fotonen die in verschillende richtingen gaan, kunnen om elkaar heen worden geleid, fotonen van meerdere datapakketten tegelijkertijd door de chip laten reizen, als een ingewikkeld snelwegknooppunt.

"We kunnen de randen zo definiëren dat fotonen van elke invoerpoort naar elke uitvoerpoort kunnen gaan, of zelfs naar meerdere uitgangen tegelijk, "zegt Feng. "Dat betekent dat de verhouding tussen poorten en voetafdruk minstens twee ordes van grootte groter is dan de huidige state-of-the-art fotonische routers en switches."

Verhoogde efficiëntie en snelheid is niet het enige voordeel van de aanpak van de onderzoekers.

"Ons systeem is ook robuust tegen onverwachte defecten, " zegt Zhao. "Als een van de ringen is beschadigd door een stofkorrel, bijvoorbeeld, die schade is gewoon het maken van een nieuwe reeks randen die we fotonen kunnen sturen."

Aangezien het systeem een ​​off-chip laserbron nodig heeft om de vorm van de golfgeleiders te herdefiniëren, het systeem van de onderzoeker is nog niet klein genoeg om bruikbaar te zijn voor datacenters of andere commerciële toepassingen. De volgende stappen voor het team zijn het opzetten van een snel herconfigurerend schema op een geïntegreerde manier.