Chip-skala Floquet topologiske isolatorer til at forbedre 5G trådløs kommunikation

Floquet topologiske isolatorer er materialer med topologiske faser, der stammer fra skræddersyede tidsafhængige forstyrrelser af deres krystalstruktur. Disse materialer har vist sig at have meget usædvanlige elektronledningsegenskaber. I de senere år har der været en betydelig interesse for at udforske analoge funktioner for elektromagnetiske bølger ved hjælp af skræddersyede metamaterialer, som lover spændende muligheder for en lang række anvendelser, herunder udvikling af trådløs kommunikation, radar og kvanteteknologi.

Forskere ved Columbia University, City University of New York og University of Texas i Austin har for nylig introduceret Floquet topologiske isolatorer til radiobølger med et unikt design, baseret på den kvasi-elektrostatiske udbredelse af radiosignaler i switched-capacitor netværk. Deres papir, udgivet i Nature Electronics , bygger på teamets tidligere arbejde med fokus på fotoniske topologiske isolatorer (PTI'er), en klasse af materialer, der kan lede lys på usædvanlige og fordelagtige måder.

"Prof. Alu og jeg har begge været meget aktive inden for området med tidsmodulerede materialer og kredsløb," fortalte Harish Krishnaswamy, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Det er materialer eller kredsløb, hvor en eller anden parameter varierer i tid. Sådanne tidsmodulerede materialer eller kredsløb kan bryde flere fundamentale grænser forbundet med statiske materialer eller kredsløb. For eksempel kan man opnå ikke-gensidighed, hvor signaler rejser på forskellige måder i frem og tilbage for at bygge ikke-gensidige komponenter såsom cirkulationspumper og isolatorer."

Forestillingen om at bygge en tidsmoduleret, ikke-gensidig cirkulator kunne udvides til design af topologiske isolatorer ved at forbinde mange cirkulatorer i et gitter. Mens materialeforskere tidligere havde udforsket denne idé fra et teoretisk synspunkt, var den hidtil aldrig blevet eksperimentelt demonstreret. En nøgleårsag til dette er, at det er en udfordrende opgave at bygge mange tidsmodulerede cirkulatorer på en robust og generaliserbar måde og forbinde dem, og indtil videre har disse enheder haft en moderat båndbredde. Som en del af deres undersøgelse var Krishnaswamy og hans kolleger med succes i stand til at integrere disse tidsmodulerede cirkulatorer på en siliciumchip og dramatisk udvide deres båndbredde baseret på deres kvasi-elektrostatiske natur.

"Integrerede kredsløb er en kraftfuld platform til at bygge komplekse tidsmodulerede kredsløb med mange elementer på en robust og gentagelig måde," sagde Krishnaswamy. "Så naturligvis var spørgsmålene, der opstod:1) kan vi bygge en tidsmoduleret ikke-reciprok topologisk isolator på en chip? 2) hvilke praktiske anvendelser ville det være nyttigt til?"

PTI-chippen udviklet af forskerne kunne bruges til at skabe fuld-dupleks phased-array trådløs teknologi, som kombinerer to forskellige 5G trådløse muligheder:fuld-dupleks og multi-antenne drift. I deres papir demonstrerede holdet faktisk gennemførligheden af ​​deres chip til fremstilling af multi-antenne ultrabredbåndsimpulsradarteknologi.

"PTI'er tillader ikke udbredelse af elektromagnetiske bølger i deres bulk, men de sikrer effektiv og robust bølgeudbredelse på deres grænser, uanset hvordan de er formet," fortalte Andrea Alu, en anden forsker involveret i undersøgelsen, til TechXplore. "Disse usædvanlige træk er sikret af specifikke former for brudt symmetri, der karakteriserer mikrostrukturen af ​​disse kunstige materialer."

I løbet af det sidste årti eller deromkring udviklede forskere forskellige typer PTI'er, hvoraf de fleste er afhængige af brudte symmetrier i rummet. I modsætning hertil er PTI-chips udviklet af Krishnaswamy, Alu og deres kolleger afhængige af brud på tidssymmetri. Dette blev af holdet og andre forskergrupper antaget som en lovende tilgang til at opnå mere robust elektromagnetisk bølgeudbredelse på enhedernes grænser, da det ville sikre envejsudbredelse og forhindre tilbagereflektioner.

"Vores eksperimentelle demonstration er den første af en sådan klasse af PTI'er til elektromagnetiske bølger, hvor den brudte symmetri i tid opnås ved at ændre materialets egenskaber tidsmæssigt med skræddersyede modulationsmønstre," forklarede Alu. "Denne løsning har flere fordele:den muliggør robust envejssignaludbredelse langs vilkårlige grænser, understøtter båndbredder, der er meget større end nogen tidligere demonstration af en PTI, og en ekstremt kompakt formfaktor."

Den nylige undersøgelse udført af dette team af forskere kan have bemærkelsesværdige konsekvenser for udviklingen af ​​trådløse kommunikationsværktøjer og andre avancerede teknologier. Den nye form for elektromagnetisk bølgeudbredelse demonstreret i deres undersøgelse og Floquet PTI-chippen, de udviklede, kunne snart integreres og evalueres i forskellige enheder.

"De unikke egenskaber nævnt ovenfor, dvs. dens robusthed, store båndbredde og ekstremt kompakte formfaktor, er ideel til at forbedre kommunikationssystemer, som vi demonstrerer i papiret i et par relevante applikationer," tilføjede Alu. "Vi undersøger implementeringen af ​​disse enheder i praktiske trådløse systemer for at forbedre kvaliteten af ​​mobiltelefonkommunikation og radarsystemer." + Udforsk yderligere

Ny teknologi kan fordoble spektral båndbredde i nogle 5G-systemer

© 2022 Science X Network