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    2019-09-15 10:05

    拓撲絕緣體是一種改變游戲規則的材料

    拓撲絕緣體是一種改變游戲規則的材料; 帶電粒子可以在它們的邊緣自由流動并繞過缺陷,但不能穿過它們的內部。這種完美的表面傳導有望實現快速高效的電子電路,盡管工程師必須應對這樣的材料內部空間有效浪費的事實。

    現在,2005年首次發現拓撲絕緣體的賓夕法尼亞大學的研究人員已經展示了一種在物理空間更加重要的領域實現這一承諾的方法:光子學。他們首次展示了拓撲絕緣體利用其整個足跡的方法。

    通過使用光子代替電子,光子芯片可以實現更快的數據傳輸速度和信息密集型應用,但由于缺乏高效的數據路由架構,構建它們所需的組件仍然比電子對應物大得多。

    然而,具有可在運行中重新定義的邊緣的光子拓撲絕緣體將有助于解決占地面積問題。能夠根據需要將這些“道路”圍繞彼此布線意味著整個內部體積可用于有效地構建數據鏈路。

    賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員首次建立并測試了這種設備,并在“ 科學 ”雜志上發表了他們的研究成果。

    “這可能對大型信息容量應用產生重大影響,如5G甚至6G手機網絡,”賓州工程材料科學與工程與電氣與系統工程系助理教授梁峰說。

    “我們認為這可能是拓撲絕緣子的第一次實際應用,”他說。

    馮和他的實驗室成員趙釗一起領導了這項研究。實驗室成員Xingdu Qiao,Tianwei Wu和Bikashkali Midya以及意大利米蘭理工大學教授Stefano Longhi也參與了這項研究。

    構成通信網絡骨干的數據中心將呼叫,文本,電子郵件附件和流媒體電影路由到數百萬個蜂窩設備之間。但隨著流經這些數據中心的數據量的增加,對能夠滿足需求的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這一過程,以應對即將到來的信息爆炸,但工程師必須首先設計一個全新的設備庫,以便將這些光子從輸入到輸出,而不會混淆它們并在此過程中丟失它們。

    電子產品中數據處理速度的進步依賴于使其核心部件越來越小,但光子學研究人員需要采取不同的方法。

    Feng,Zhao和他們的同事著手最大化光子波導的復雜性 - 光子波導的指定路徑 - 單個光子在輸入到輸出的路徑上 - 在給定芯片上。

    研究人員的原型光子芯片大約250平方微米,并具有橢圓環的鑲嵌網格。通過用外部激光“泵浦”芯片,旨在改變各個環的光子特性,它們能夠改變哪些環構成波導的邊界。

    結果是可重構的拓撲絕緣體。通過改變泵浦模式,朝向不同方向的光子可以相互路由,允許來自多個數據包的光子同時通過芯片,如復雜的高速公路交匯處。

    “我們可以定義邊緣,使得光子可以從任何輸入端口到達任何輸出端口,甚至可以同時到達多個輸出,”Feng說。“這意味著端口到封裝比率至少比目前最先進的光子路由器和交換機高兩個數量級。”

    提高效率和速度并不是研究人員方法的唯一優勢。

    “我們的系統也能抵御意外缺陷,”趙說。例如,如果其中一個環被一粒灰塵損壞,那么這種損壞只會產生一組新的邊緣,我們就可以發送光子。“

    由于系統需要片外激光源來重新定義波導的形狀,因此研究人員的系統還不夠小,無法用于數據中心或其他商業應用。該團隊的后續步驟將是以集成方式建立快速重新配置方案。

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