Este esquema (izquierda) muestra la implementación de nuestro Floquet PTI, la imagen del medio muestra el dispositivo real y, a la derecha, mostramos medidas que demuestran la sólida propagación de señales electromagnéticas a través del dispositivo. Crédito:Nagulu et al.
Los aisladores topológicos Floquet son materiales con fases topológicas que se originan a partir de perturbaciones dependientes del tiempo adaptadas de su estructura cristalina. Se ha demostrado que estos materiales presentan propiedades de conducción de electrones muy inusuales. En los últimos años, ha habido un gran interés en explorar características análogas para las ondas electromagnéticas utilizando metamateriales personalizados, que prometen oportunidades interesantes para una amplia gama de aplicaciones, incluido el desarrollo de la comunicación inalámbrica, el radar y la tecnología cuántica.
Investigadores de la Universidad de Columbia, la Universidad de la Ciudad de Nueva York y la Universidad de Texas en Austin han presentado recientemente aisladores topológicos Floquet para ondas de radio con un diseño único, basado en la propagación cuasielectrostática de señales de radio en redes de condensadores conmutados. Su artículo, publicado en Nature Electronics , se basa en el trabajo anterior del equipo centrado en los aisladores topológicos fotónicos (PTI), una clase de materiales que pueden guiar la luz de formas inusuales y ventajosas.
"El profesor Alu y yo hemos estado muy activos en el área de materiales y circuitos modulados en el tiempo", dijo a Phys.org Harish Krishnaswamy, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Estos son materiales o circuitos donde algún parámetro varía en el tiempo. Dichos materiales o circuitos modulados en el tiempo pueden romper varios límites fundamentales asociados con materiales o circuitos estáticos. Por ejemplo, uno puede lograr la no reciprocidad, donde las señales viajan de diferentes maneras en direcciones hacia adelante y hacia atrás, para construir componentes no recíprocos como circuladores y aisladores".
La noción de construir un circulador no recíproco modulado en el tiempo podría extenderse al diseño de aisladores topológicos, conectando muchos circuladores en una red. Si bien los científicos de materiales habían explorado previamente esta idea desde un punto de vista teórico, hasta ahora nunca se había demostrado experimentalmente. Una razón clave de esto es que construir muchos circuladores modulados en el tiempo de una manera robusta y generalizable, y conectarlos, es una tarea desafiante y, hasta ahora, estos dispositivos presentaban un ancho de banda de operación moderado. Como parte de su estudio, Krishnaswamy y sus colegas pudieron integrar con éxito estos circuladores modulados en el tiempo en un chip de silicio y ampliar drásticamente su ancho de banda de operación en función de su naturaleza casi electrostática.
"Los circuitos integrados son una plataforma poderosa para construir circuitos complejos modulados en el tiempo con muchos elementos de manera robusta y repetible", dijo Krishnaswamy. "Entonces, naturalmente, las preguntas que surgieron fueron:1) ¿podemos construir un aislador topológico no recíproco modulado en el tiempo en un chip? 2) ¿Para qué aplicaciones prácticas sería útil?"
El chip PTI desarrollado por los investigadores podría usarse para crear tecnología inalámbrica de matriz en fase full-duplex, que combina dos capacidades inalámbricas 5G diferentes:operación full-duplex y multi-antena. En su artículo, el equipo demostró la viabilidad de su chip para la fabricación de tecnología de radar de impulsos de banda ultraancha de múltiples antenas.
"Los PTI no permiten la propagación de ondas electromagnéticas en su mayor parte, pero aseguran una propagación de ondas eficiente y robusta en sus límites, independientemente de su forma", dijo a TechXplore Andrea Alu, otra investigadora involucrada en el estudio. "Estas características inusuales están garantizadas por formas específicas de simetría rota que caracterizan la microestructura de estos materiales artificiales".
Durante la última década, los investigadores desarrollaron diferentes tipos de PTI, la mayoría de los cuales se basan en simetrías rotas en el espacio. Por el contrario, los chips PTI desarrollados por Krishnaswamy, Alu y sus colegas se basan en la ruptura de la simetría temporal. El equipo y otros grupos de investigación plantearon la hipótesis de que esto sería un enfoque prometedor para lograr una propagación de ondas electromagnéticas más robusta en los límites de los dispositivos, ya que garantizaría la propagación unidireccional y evitaría los reflejos inversos.
"Nuestra demostración experimental es la primera de este tipo de PTI para ondas electromagnéticas, en las que la simetría rota en el tiempo se obtiene cambiando las propiedades del material temporalmente con patrones de modulación personalizados", explicó Alu. "Esta solución tiene varios beneficios:permite una sólida propagación de señal unidireccional a lo largo de límites arbitrarios, admite anchos de banda mucho mayores que cualquier demostración anterior de un PTI y un factor de forma extremadamente compacto".
El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores podría tener notables implicaciones para el desarrollo de herramientas de comunicación inalámbrica y otras tecnologías de última generación. La nueva forma de propagación de ondas electromagnéticas demostrada en su estudio y el chip Floquet PTI que desarrollaron pronto podrían integrarse y evaluarse en varios dispositivos.
"Las características únicas mencionadas anteriormente, es decir, su robustez, gran ancho de banda y factor de forma extremadamente compacto, son ideales para mejorar los sistemas de comunicación, como demostramos en el documento en un par de aplicaciones relevantes", agregó Alu. "Estamos explorando la implementación de estos dispositivos en sistemas inalámbricos prácticos para mejorar la calidad de las comunicaciones de telefonía celular y los sistemas de radar".
© 2022 Red Ciencia X La nueva tecnología puede duplicar el ancho de banda espectral en algunos sistemas 5G
