Floquet topologische isolatoren zijn materialen met topologische fasen die voortkomen uit op maat gemaakte tijdsafhankelijke verstoringen van hun kristalstructuur. Het is bewezen dat deze materialen zeer ongebruikelijke elektronengeleidingseigenschappen hebben. In de afgelopen jaren is er veel belangstelling geweest voor het verkennen van analoge kenmerken voor elektromagnetische golven met behulp van op maat gemaakte metamaterialen, die opwindende kansen beloven voor een breed scala aan toepassingen, waaronder de ontwikkeling van draadloze communicatie, radar en kwantumtechnologie.

Onderzoekers van Columbia University, City University of New York en de University of Texas in Austin hebben onlangs Floquet topologische isolatoren voor radiogolven geïntroduceerd met een uniek ontwerp, gebaseerd op de quasi-elektrostatische voortplanting van radiosignalen in netwerken met geschakelde condensatoren. Hun paper, gepubliceerd in Nature Electronics , bouwt voort op het eerdere werk van het team gericht op fotonische topologische isolatoren (PTI's), een klasse materialen die licht op ongebruikelijke en voordelige manieren kunnen geleiden.

"Prof. Alu en ik zijn allebei zeer actief geweest op het gebied van tijdgemoduleerde materialen en circuits," vertelde Harish Krishnaswamy, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Dit zijn materialen of circuits waar een parameter in de tijd varieert. Dergelijke in de tijd gemoduleerde materialen of circuits kunnen verschillende fundamentele limieten doorbreken die verband houden met statische materialen of circuits. Men kan bijvoorbeeld niet-wederkerigheid bereiken, waarbij signalen op verschillende manieren reizen in voorwaartse en achterwaartse richtingen, om niet-wederkerige componenten zoals circulatiepompen en isolatoren te bouwen."

Het idee van het bouwen van een in de tijd gemoduleerde, niet-reciproke circulatiepomp zou kunnen worden uitgebreid tot het ontwerp van topologische isolatoren, door veel circulatiepompen in een rooster met elkaar te verbinden. Hoewel materiaalwetenschappers dit idee eerder vanuit een theoretisch standpunt hadden onderzocht, was het tot dusver nooit experimenteel aangetoond. Een belangrijke reden hiervoor is dat het bouwen van veel tijdgemoduleerde circulatiepompen op een robuuste en generaliseerbare manier, en het aansluiten ervan, een uitdagende taak is, en tot dusver hadden deze apparaten een matige werkingsbandbreedte. Als onderdeel van hun onderzoek waren Krishnaswamy en zijn collega's in staat om deze tijdgemoduleerde circulatiepompen met succes op een siliciumchip te integreren en hun bandbreedte drastisch uit te breiden op basis van hun quasi-elektrostatische aard.

"Geïntegreerde circuits zijn een krachtig platform om complexe tijdgemoduleerde circuits met veel elementen op een robuuste en herhaalbare manier te bouwen", zei Krishnaswamy. "Dus natuurlijk waren de vragen die opkwamen:1) kunnen we een tijdgemoduleerde niet-reciproke topologische isolator op een chip bouwen? 2) voor welke praktische toepassingen zou het nuttig zijn?"

De door de onderzoekers ontwikkelde PTI-chip kan worden gebruikt om full-duplex phased-array draadloze technologie te creëren, die twee verschillende draadloze 5G-mogelijkheden combineert:full-duplex en multi-antenne. In hun paper demonstreerde het team inderdaad de haalbaarheid van hun chip voor de fabricage van ultrabreedband-impulsradartechnologie met meerdere antennes.

"PTI's laten de verspreiding van elektromagnetische golven in hun massa niet toe, maar ze zorgen voor een efficiënte en robuuste golfvoortplanting op hun grenzen, hoe ze ook zijn gevormd", vertelde Andrea Alu, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, aan TechXplore. "Deze ongebruikelijke kenmerken worden verzekerd door specifieke vormen van gebroken symmetrie die de microstructuur van deze kunstmatige materialen karakteriseren."

In de afgelopen tien jaar hebben onderzoekers verschillende soorten PTI's ontwikkeld, waarvan de meeste afhankelijk zijn van gebroken symmetrieën in de ruimte. De door Krishnaswamy, Alu en hun collega's ontwikkelde PTI-chips daarentegen vertrouwen op het doorbreken van de tijdsymmetrie. Dit werd door het team en andere onderzoeksgroepen verondersteld een veelbelovende benadering te zijn om robuustere elektromagnetische golfvoortplanting op de grenzen van de apparaten te bereiken, omdat het eenrichtingsvoortplanting zou garanderen en terugreflecties zou voorkomen.

"Onze experimentele demonstratie is de eerste van een dergelijke klasse van PTI's voor elektromagnetische golven, waarbij de gebroken symmetrie in de tijd wordt verkregen door de materiaaleigenschappen tijdelijk te veranderen met op maat gemaakte modulatiepatronen", legt Alu uit. "Deze oplossing heeft verschillende voordelen:het maakt robuuste eenrichtingssignaalvoortplanting langs willekeurige grenzen mogelijk, ondersteunt bandbreedtes die veel groter zijn dan enige eerdere demonstratie van een PTI en een extreem compacte vormfactor."

De recente studie die door dit team van onderzoekers is uitgevoerd, zou opmerkelijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van draadloze communicatiehulpmiddelen en andere geavanceerde technologieën. De nieuwe vorm van elektromagnetische golfvoortplanting die in hun onderzoek werd aangetoond, en de Floquet PTI-chip die ze ontwikkelden, zouden binnenkort in verschillende apparaten kunnen worden geïntegreerd en geëvalueerd.

"De unieke kenmerken die hierboven zijn genoemd, namelijk de robuustheid, de grote bandbreedte en de extreem compacte vormfactor, zijn bij uitstek geschikt voor het verbeteren van communicatiesystemen, zoals we in de paper in een aantal relevante toepassingen aantonen", voegde Alu eraan toe. "We onderzoeken de implementatie van deze apparaten in praktische draadloze systemen om de kwaliteit van mobiele telefooncommunicatie en radarsystemen te verbeteren." + Verder verkennen

Nieuwe technologie kan de spectrale bandbreedte in sommige 5G-systemen verdubbelen

© 2022 Science X Network