EPFL科学家开发出了可避免光子反弹的新型拓补电路

2021年10月14日 09:14 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家们,已经开发出了一种基于拓补的新方法。得益于拓补绝缘体材料的特殊结构,其能够迫使光子和电子仅沿着材料边界单向移动。这些粒子几乎不会遇到阻力,且能够自由穿过各种障碍物,比如杂质、制造缺陷、电路内信号轨迹的变化、或有意防在粒子前进路线上的其它物体。

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多路复用拓补隔离装置(图自:Zhe Zhang / EPFL 2021)

EPFL 工程学院波浪工程实验室负责人 Romain Fleury 教授称:“这些粒子不会被障碍物反弹,而是能够像流经岩石的河水一样绕过障碍物”。

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具有可重构特性的拓扑隔离装置

此前,这些粒子对障碍物的特殊弹性,仅适用于材料中的有限扰动,意味着我们难以在基于光子学的应用中广泛利用这种特性。

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研究配图 - 1:拓扑非互易波网络及其体能带结构

好消息是,随着 Fleury 教授与博士生 Zhe Zhnag、以及来自 ENS Lyon 物理实验室的 Pierre Delplace 共同开展的深入研究,这种情况或很快发生改变。

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研究配图 - 2:非互易波网络中的异常和 Chern 拓扑相位

在近日发表于《自然》(Nature)杂志上的一篇文章中,研究团队介绍了一种特殊的拓补绝缘体,特点是在其中传输的微波光子,能够经受住前所未有的无序度。

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研究配图 - 3:异常非互易拓扑边缘传输的卓越鲁棒性

Zhang 表示:“我们能够创造出一种罕见的拓补相,并将其表征为异常拓补绝缘体。这源于幺正群的数学特性,可赋予材料独特且出乎意料的传输特性”。

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研究配图 - 4:不规则形状与无序网络实验

Fleury 教授指出,这项发现为科学技术的新进步带来了巨大的希望:

当工程师设计超频电路时,必须做到非常小心,以确保不会遭遇波的反弹,而是沿着给定路径、引导并通过一系列的组件,这也是我教给电气工程专业学生的第一件事。

这种被称作阻抗匹配的内在约束,限制了我们操纵波信号的能力。然而通过这项新发现,我们得以采取完全不同的方法,使用拓补结构来构建电路和设备、而无需担心阻抗匹配 —— 这是当前限制现代技术应用范围的一个主要因素。

目前研究团队正在实验室研究其新型拓扑绝缘体的具体应用,预计新型拓补电路将对下一代通信系统发挥重要的影响。

Fleury 教授称,此类系统需要高度可靠、且易于重新配置的电路。此外研究小组还在积极设想如何将这一发现应用于新型光子处理器和量子计算机的开发。

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