拓撲絕緣體,這種近乎完美的表面傳導為電子電路帶來了新希望!

2020-12-05 博科園

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拓撲絕緣體是一種優異的材料，這種近乎完美的表面傳導為快速有效的電子電路帶來了希望，儘管工程師們必須面對這樣一個事實，即這些材料內部實際上是浪費的空間。現在，賓夕法尼亞大學的研究人員展示了一種方法，可以在物理空間更加寶貴的領域實現這點。2005年賓夕法尼亞大學首次發現了拓撲絕緣體，首次展示了拓撲絕緣體利用其整個足跡的方法。

通過使用光子而不是電子，光子晶片有更快的數據傳輸速度和信息密集型應用。具有可即時重新定義邊緣的光子拓撲絕緣體將有助於解決足跡問題。能夠根據需要將這些「道路」彼此繞過，這意味著整個內部體積可以用於高效地構建數據鏈路。賓夕法尼亞大學工程和應用科學學院的研究人員首次建造並測試了這種設備，其研究發現並發表《科學》期刊上。這可能會對5G，甚至6G，手機網絡等大信息容量的應用產生很大影響，這可能是拓撲絕緣體的第一個實際應用。

構成通信網絡主幹的數據中心將呼叫、文本、電子郵件附件和流媒體電影路由到數以百萬計的蜂窩設備之間。但是，隨著流經這些數據中心的數據量增加，對能夠跟上需求高容量數據路由的需求也在增加。從電子轉換為光子將加速即將到來的信息爆炸的這一過程，但工程師必須首先設計一個全新的設備庫。所以，研究人員著手在給定晶片上最大化光子波導的複雜性，單個光子在從輸入到輸出過程中所採用的規定路徑。

光子晶片原型大約是250平方微米，並以橢圓形環的鑲嵌網格為特徵。通過用外部雷射「泵送」晶片，目標是改變單個環的光子特性，也能夠改變這些環中的哪些環構成波導邊界。其結果是可重構的拓撲絕緣體，改變不同方向的光子可以相互繞過。而且能夠讓來自多個數據包的光子同時通過晶片，就像複雜的高速公路立交橋一樣。可以定義邊緣，使光子可以從任何輸入埠傳輸到任何輸出埠，甚至一次到達多個輸出埠。

這意味著埠對佔地面積的比率比當前最先進的光子路由器和交換機至少高出兩個數量級。提高效率和速度並不是唯一優勢，該系統對於意外的缺陷也很穩定，例如，如果其中一個環被一粒灰塵損壞，這種損壞只是製造出一組新的邊緣，可以沿著這些邊緣發送光子。由於該系統需要晶片外雷射源來重新定義波導的形狀，因此研究系統還不夠小，不足以用於數據中心或其他商業應用，所以下一步將是以集成的方式建立快速重新配置方案。

博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞大學參考期刊《科學》DOI: 10.1364/OME.9.000095博科園｜科學、科技、科研、科普

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