Questo schema (a sinistra) mostra l'implementazione del nostro Floquet PTI, l'immagine al centro mostra il dispositivo reale ea destra le misurazioni che dimostrano la robusta propagazione dei segnali elettromagnetici attraverso il dispositivo. Credito:Nagulu et al.
Gli isolanti topologici Floquet sono materiali con fasi topologiche che provengono da perturbazioni dipendenti dal tempo su misura della loro struttura cristallina. È stato dimostrato che questi materiali presentano proprietà di conduzione elettronica molto insolite. Negli ultimi anni, c'è stato un notevole interesse nell'esplorazione di caratteristiche analoghe per le onde elettromagnetiche utilizzando metamateriali su misura, che promettono interessanti opportunità per un'ampia gamma di applicazioni, incluso lo sviluppo di comunicazioni wireless, radar e tecnologia quantistica.
I ricercatori della Columbia University, della City University di New York e dell'Università del Texas ad Austin hanno recentemente introdotto isolatori topologici Floquet per onde radio con un design unico, basato sulla propagazione quasi elettrostatica dei segnali radio nelle reti a condensatori commutati. Il loro articolo, pubblicato su Nature Electronics , si basa sul lavoro precedente del team incentrato sugli isolanti topologici fotonici (PTI), una classe di materiali che possono guidare la luce in modi insoliti e vantaggiosi.
"Il Prof. Alu ed io siamo stati entrambi molto attivi nell'area dei materiali e dei circuiti modulati nel tempo", ha detto a Phys.org Harish Krishnaswamy, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Questi sono materiali o circuiti in cui alcuni parametri sono variati nel tempo. Tali materiali o circuiti modulati nel tempo possono infrangere diversi limiti fondamentali associati a materiali o circuiti statici. Ad esempio, si può ottenere la non reciprocità, dove i segnali viaggiano in modi diversi in avanti e indietro, per costruire componenti non reciproci come circolatori e isolatori."
La nozione di costruire un circolatore modulato nel tempo e non reciproco potrebbe essere estesa alla progettazione di isolatori topologici, collegando molti circolatori in un reticolo. Mentre gli scienziati dei materiali avevano precedentemente esplorato questa idea da un punto di vista teorico, finora non era mai stata dimostrata sperimentalmente. Una delle ragioni principali di ciò è che costruire molti circolatori a modulazione temporale in modo robusto e generalizzabile e collegarli è un compito impegnativo e finora questi dispositivi presentavano una larghezza di banda di funzionamento moderata. Nell'ambito del loro studio, Krishnaswamy e i suoi colleghi sono stati in grado di integrare con successo questi circolatori a modulazione temporale su un chip di silicio e di estendere notevolmente la loro larghezza di banda di funzionamento in base alla loro natura quasi elettrostatica.
"I circuiti integrati sono una piattaforma potente per costruire circuiti complessi modulati nel tempo con molti elementi in modo robusto e ripetibile", ha detto Krishnaswamy. "Quindi, naturalmente, le domande che sono emerse sono state:1) possiamo costruire un isolante topologico non reciproco modulato nel tempo su un chip? 2) per quali applicazioni pratiche sarebbe utile?"
Il chip PTI sviluppato dai ricercatori potrebbe essere utilizzato per creare una tecnologia wireless phased-array full-duplex, che combina due diverse capacità wireless 5G:funzionamento full-duplex e multi-antenna. Nel loro articolo, il team ha infatti dimostrato la fattibilità del loro chip per la fabbricazione di una tecnologia radar a impulsi a banda ultra larga multi-antenna.
"I PTI non consentono la propagazione delle onde elettromagnetiche nella loro massa, ma garantiscono una propagazione delle onde efficiente e robusta sui loro confini, indipendentemente dalla forma", ha detto a TechXplore Andrea Alu, un altro ricercatore coinvolto nello studio. "Queste caratteristiche insolite sono assicurate da forme specifiche di simmetria spezzata che caratterizzano la microstruttura di questi materiali artificiali."
Negli ultimi dieci anni circa, i ricercatori hanno sviluppato diversi tipi di PTI, la maggior parte dei quali si basano su simmetrie spezzate nello spazio. Al contrario, i chip PTI sviluppati da Krishnaswamy, Alu e i loro colleghi si basano sulla rottura della simmetria temporale. Questo è stato ipotizzato dal team e da altri gruppi di ricerca come un approccio promettente per ottenere una propagazione delle onde elettromagnetiche più robusta ai confini dei dispositivi, in quanto garantirebbe la propagazione unidirezionale e preverrebbe i riflessi.
"La nostra dimostrazione sperimentale è la prima di una tale classe di PTI per onde elettromagnetiche, in cui la simmetria interrotta nel tempo si ottiene modificando temporaneamente le proprietà del materiale con schemi di modulazione su misura", ha spiegato Alu. "Questa soluzione presenta numerosi vantaggi:consente una robusta propagazione del segnale unidirezionale lungo limiti arbitrari, supporta larghezze di banda molto più grandi di qualsiasi precedente dimostrazione di un PTI e un fattore di forma estremamente compatto."
Il recente studio condotto da questo team di ricercatori potrebbe avere notevoli implicazioni per lo sviluppo di strumenti di comunicazione wireless e altre tecnologie all'avanguardia. La nuova forma di propagazione delle onde elettromagnetiche dimostrata nel loro studio e il chip Floquet PTI che hanno sviluppato potrebbero presto essere integrati e valutati in vari dispositivi.
"Le caratteristiche uniche sopra menzionate, ovvero la sua robustezza, ampia larghezza di banda e fattore di forma estremamente compatto, sono ideali per migliorare i sistemi di comunicazione, come dimostreremo nel documento in un paio di applicazioni rilevanti", ha aggiunto Alu. "Stiamo esplorando l'implementazione di questi dispositivi in pratici sistemi wireless per migliorare la qualità delle comunicazioni dei telefoni cellulari e dei sistemi radar". + Esplora ulteriormente
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