Gli isolanti topologici sono una classe di materiali rivoluzionaria; le particelle cariche possono fluire liberamente sui loro bordi e dirigersi intorno ai difetti, ma non possono passare attraverso i loro interni. Questa perfetta conduzione superficiale promette circuiti elettronici veloci ed efficienti, sebbene gli ingegneri debbano fare i conti con il fatto che gli interni di tali materiali sono effettivamente spazio sprecato.

Ora, ricercatori dell'Università della Pennsylvania, dove gli isolanti topologici sono stati scoperti per la prima volta nel 2005, hanno mostrato un modo per mantenere quella promessa in un campo in cui lo spazio fisico ha un premio ancora più grande:la fotonica. hanno mostrato, per la prima volta, un modo per un isolante topologico di sfruttare la sua intera impronta.

Usando fotoni invece di elettroni, i chip fotonici promettono velocità di trasferimento dati ancora più elevate e applicazioni ad alta densità di informazioni, ma i componenti necessari per costruirli rimangono notevolmente più grandi delle loro controparti elettroniche, a causa della mancanza di un'architettura di routing dei dati efficiente.

Un isolante topologico fotonico con bordi che possono essere ridefiniti al volo, però, aiuterebbe a risolvere il problema dell'impronta. Essere in grado di instradare queste "strade" l'una intorno all'altra secondo necessità significa che l'intera massa interna potrebbe essere utilizzata per costruire in modo efficiente collegamenti dati.

I ricercatori della Penn's School of Engineering and Applied Science hanno costruito e testato per la prima volta un dispositivo del genere, pubblicando i loro risultati sulla rivista Scienza .

"Questo potrebbe avere un grande impatto sulle applicazioni di grande capacità informativa, come il 5G, o anche 6G, reti cellulari, "dice Liang Feng, Assistant Professor nei Dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Ingegneria Elettrica e dei Sistemi della Penn Engineering.

"Pensiamo che questa possa essere la prima applicazione pratica degli isolanti topologici, " lui dice.

Feng ha condotto lo studio insieme allo studente laureato Han Zhao, un membro del suo laboratorio. Compagni di laboratorio Xingdu Qiao, Tianwei Wu e Bikashkali Midya, insieme a Stefano Longhi, professore al Politecnico di Milano in Italia, anche contribuito alla ricerca.

I data center che costituiscono la spina dorsale delle reti di comunicazione instradano le chiamate, testi, allegati e-mail e film in streaming verso e tra milioni di dispositivi cellulari. Ma con l'aumentare della quantità di dati che scorre attraverso questi data center, lo stesso vale per la necessità di un routing dei dati ad alta capacità in grado di tenere il passo con la domanda.

Il passaggio dagli elettroni ai fotoni accelererebbe questo processo per l'imminente esplosione di informazioni, ma gli ingegneri devono prima progettare un'intera nuova libreria di dispositivi per portare quei fotoni dall'input all'output senza mescolarli e perderli nel processo.

I progressi nella velocità di elaborazione dei dati nell'elettronica si sono basati sul rendere i loro componenti principali sempre più piccoli, ma i ricercatori di fotonica hanno dovuto adottare un approccio diverso.

Feng, Zhao e i loro colleghi si sono proposti di massimizzare la complessità delle guide d'onda fotoniche, i percorsi prescritti dai singoli fotoni nel loro percorso dall'input all'output, su un dato chip.

Il prototipo di chip fotonico dei ricercatori è di circa 250 micron quadrati, e presenta una griglia tassellata di anelli ovali. "Pompando" il chip con un laser esterno, mirati ad alterare le proprietà fotoniche dei singoli anelli, sono in grado di alterare quale di quegli anelli costituisce i confini di una guida d'onda.

Il risultato è un isolante topologico riconfigurabile. Modificando i modelli di pompaggio, i fotoni diretti in direzioni diverse possono essere instradati l'uno intorno all'altro, consentendo ai fotoni di più pacchetti di dati di viaggiare contemporaneamente attraverso il chip, come un complicato svincolo autostradale.

"Possiamo definire i bordi in modo tale che i fotoni possano andare da qualsiasi porta di ingresso a qualsiasi porta di uscita, o anche a più uscite contemporaneamente, " Dice Feng. "Ciò significa che il rapporto tra porte e ingombro è di almeno due ordini di grandezza maggiore rispetto agli attuali router e switch fotonici all'avanguardia".

L'aumento dell'efficienza e della velocità non è l'unico vantaggio dell'approccio dei ricercatori.

"Il nostro sistema è robusto anche contro i difetti imprevisti, " dice Zhao. "Se uno degli anelli è danneggiato da un granello di polvere, Per esempio, quel danno sta solo creando una nuova serie di bordi con cui possiamo inviare fotoni."

Poiché il sistema richiede una sorgente laser off-chip per ridefinire la forma delle guide d'onda, il sistema del ricercatore non è ancora abbastanza piccolo da essere utile per data center o altre applicazioni commerciali. I prossimi passi per il team saranno stabilire uno schema di riconfigurazione veloce in modo integrato.