拓扑绝缘体是一种优异的材料，这种近乎完美的表面传导为快速有效的电子电路带来了希望，尽管工程师们必须面对这样一个事实，即这些材料内部实际上是浪费的空间。现在，宾夕法尼亚大学的研究人员展示了一种方法，可以在物理空间更加宝贵的领域实现这点。2005年宾夕法尼亚大学首次发现了拓扑绝缘体，首次展示了拓扑绝缘体利用其整个足迹的方法。
通过使用光子而不是电子，光子芯片有更快的数据传输速度和信息密集型应用。具有可即时重新定义边缘的光子拓扑绝缘体将有助于解决足迹问题。能够根据需要将这些“道路”彼此绕过，这意味着整个内部体积可以用于高效地构建数据链路。
宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的研究人员首次建造并测试了这种设备，其研究发现并发表《科学》期刊上。这可能会对5G，甚至6G，手机网络等大信息容量的应用产生很大影响，这可能是拓扑绝缘体的第一个实际应用。
构成通信网络主干的数据中心将呼叫、文本、电子邮件附件和流媒体电影路由到数以百万计的蜂窝设备之间。但是，随着流经这些数据中心的数据量增加，对能够跟上需求高容量数据路由的需求也在增加。从电子转换为光子将加速即将到来的信息爆炸的这一过程，但工程师必须首先设计一个全新的设备库。所以，研究人员着手在给定芯片上最大化光子波导的复杂性，单个光子在从输入到输出过程中所采用的规定路径。
光子芯片原型大约是250平方微米，并以椭圆形环的镶嵌网格为特征。通过用外部激光“泵送”芯片，目标是改变单个环的光子特性，也能够改变这些环中的哪些环构成波导边界。其结果是可重构的拓扑绝缘体，改变不同方向的光子可以相互绕过。而且能够让来自多个数据包的光子同时通过芯片，就像复杂的高速公路立交桥一样。可以定义边缘，使光子可以从任何输入端口传输到任何输出端口，甚至一次到达多个输出端口。
这意味着端口对占地面积的比率比当前最先进的光子路由器和交换机至少高出两个数量级。提高效率和速度并不是唯一优势，该系统对于意外的缺陷也很稳定，例如，如果其中一个环被一粒灰尘损坏，这种损坏只是制造出一组新的边缘，可以沿着这些边缘发送光子。由于该系统需要芯片外激光源来重新定义波导的形状，因此研究系统还不够小，不足以用于数据中心或其他商业应用，所以下一步将是以集成的方式建立快速重新配置方案。
博科园｜研究/来自：宾夕法尼亚大学
参考期刊《科学》
DOI: 10.1364/OME.9.000095
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