Los aislantes topológicos son una clase de materiales que cambia el juego; Las partículas cargadas pueden fluir libremente por sus bordes y rodear los defectos. pero no puede pasar por sus interiores. Esta conducción superficial perfecta promete circuitos electrónicos rápidos y eficientes, aunque los ingenieros deben lidiar con el hecho de que los interiores de tales materiales son espacio efectivamente desperdiciado.

Ahora, investigadores de la Universidad de Pensilvania, donde los aisladores topológicos se descubrieron por primera vez en 2005, han mostrado una manera de cumplir esa promesa en un campo donde el espacio físico tiene una prima aún mayor:la fotónica. Han mostrado, por primera vez, una forma de que un aislante topológico haga uso de toda su huella.

Al usar fotones en lugar de electrones, Los chips fotónicos prometen velocidades de transferencia de datos aún más rápidas y aplicaciones con mucha información. pero los componentes necesarios para construirlos siguen siendo considerablemente más grandes que sus contrapartes electrónicas, debido a la falta de una arquitectura de enrutamiento de datos eficiente.

Un aislante topológico fotónico con bordes que se pueden redefinir sobre la marcha, sin embargo, ayudaría a resolver el problema de la huella. Ser capaz de enrutar estos "caminos" entre sí según sea necesario significa que todo el volumen interior podría usarse para construir enlaces de datos de manera eficiente.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn han construido y probado un dispositivo de este tipo por primera vez. publicando sus hallazgos en la revista Ciencias .

"Esto podría tener un gran impacto en las aplicaciones de gran capacidad de información, como 5G, o incluso 6G, redes de telefonía móvil, "dice Liang Feng, profesor asistente en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Penn Engineering.

"Creemos que esta puede ser la primera aplicación práctica de aisladores topológicos, " él dice.

Feng dirigió el estudio junto con el estudiante de posgrado Han Zhao, un miembro de su laboratorio. Compañeros miembros del laboratorio Xingdu Qiao, Tianwei Wu y Bikashkali Midya, junto con Stefano Longhi, profesor de la Universidad Politécnica de Milán en Italia, también contribuyó a la investigación.

Los centros de datos que forman la columna vertebral de las redes de comunicación enrutan las llamadas, textos, archivos adjuntos de correo electrónico y transmisión de películas hacia y entre millones de dispositivos móviles. Pero a medida que aumenta la cantidad de datos que fluyen a través de estos centros de datos, también lo hace la necesidad de un enrutamiento de datos de alta capacidad que pueda satisfacer la demanda.

Cambiar de electrones a fotones aceleraría este proceso para la próxima explosión de información, pero los ingenieros primero deben diseñar una biblioteca completamente nueva de dispositivos para llevar esos fotones de entrada a salida sin mezclarlos y perderlos en el proceso.

Los avances en la velocidad de procesamiento de datos en la electrónica se han basado en hacer que sus componentes centrales sean cada vez más pequeños, pero los investigadores de la fotónica han tenido que adoptar un enfoque diferente.

Feng, Zhao y sus colegas se propusieron maximizar la complejidad de las guías de ondas fotónicas, las rutas prescritas que toman los fotones individuales en su camino desde la entrada hasta la salida, en un chip determinado.

El chip fotónico prototipo de los investigadores tiene aproximadamente 250 micrones cuadrados, y presenta una cuadrícula teselada de anillos ovalados. Al "bombear" el chip con un láser externo, dirigido a alterar las propiedades fotónicas de anillos individuales, pueden alterar cuáles de esos anillos constituyen los límites de una guía de ondas.

El resultado es un aislante topológico reconfigurable. Al cambiar los patrones de bombeo, los fotones que se dirigen en diferentes direcciones se pueden enrutar entre sí, permitiendo que los fotones de múltiples paquetes de datos viajen a través del chip simultáneamente, como un complicado intercambio de carreteras.

"Podemos definir los bordes de modo que los fotones puedan ir desde cualquier puerto de entrada a cualquier puerto de salida, o incluso a múltiples salidas a la vez, "Dice Feng." Eso significa que la relación puertos-huella es al menos dos órdenes de magnitud mayor que los enrutadores e interruptores fotónicos de última generación ".

El aumento de la eficiencia y la velocidad no es la única ventaja del enfoque de los investigadores.

"Nuestro sistema también es robusto contra defectos inesperados, "Dice Zhao." Si uno de los anillos está dañado por un grano de polvo, por ejemplo, ese daño es simplemente crear un nuevo conjunto de bordes por los que podemos enviar fotones ".

Dado que el sistema requiere una fuente láser fuera del chip para redefinir la forma de las guías de onda, El sistema del investigador aún no es lo suficientemente pequeño como para ser útil para centros de datos u otras aplicaciones comerciales. Los próximos pasos para el equipo serán establecer un esquema de reconfiguración rápida de manera integrada.