Topologiska isolatorer är en klass av material som förändrar spelet; laddade partiklar kan flöda fritt på sina kanter och ta sig runt defekter, men kan inte passera genom deras inre. Denna perfekta ytledning lovar snabba och effektiva elektroniska kretsar, även om ingenjörer måste kämpa med det faktum att interiören av sådana material är effektivt slöseri med utrymme.

Nu, forskare från University of Pennsylvania, där topologiska isolatorer först upptäcktes 2005, har visat ett sätt att uppfylla det löftet inom ett område där fysiskt utrymme har en ännu större premie:fotonik. De har visat, för första gången, ett sätt för en topologisk isolator att utnyttja hela sitt fotavtryck.

Genom att använda fotoner istället för elektroner, fotonchip lovar ännu snabbare dataöverföringshastigheter och informationstäta applikationer, men de komponenter som behövs för att bygga dem förblir betydligt större än deras elektroniska motsvarigheter, på grund av bristen på effektiv datadirigeringsarkitektur.

En fotonisk topologisk isolator med kanter som kan omdefinieras i farten, dock, skulle hjälpa till att lösa fotavtrycksproblemet. Att kunna dirigera dessa "vägar" runt varandra efter behov innebär att hela interiören kan användas för att effektivt bygga datalänkar.

Forskare vid Penn's School of Engineering and Applied Science har byggt och testat en sådan enhet för första gången, publicerar sina resultat i tidskriften Vetenskap .

"Detta kan ha en stor inverkan på tillämpningar med stor informationskapacitet, som 5G, eller till och med 6G, mobiltelefonnätverk, "säger Liang Feng, biträdande professor vid Penn Engineerings institutioner för materialvetenskap och teknik samt elektro- och systemteknik.

"Vi tror att detta kan vara den första praktiska tillämpningen av topologiska isolatorer, " han säger.

Feng ledde studien tillsammans med doktoranden Han Zhao, en medlem av hans labb. Andra labbmedlemmar Xingdu Qiao, Tianwei Wu och Bikashkali Midya, tillsammans med Stefano Longhi, professor vid Polytechnic University of Milano i Italien, bidrog också till forskningen.

De datacenter som utgör ryggraden i kommunikationsnätverk dirigerar samtal, texter, e-postbilagor och strömmande filmer till och mellan miljontals mobila enheter. Men när mängden data som flödar genom dessa datacenter ökar, det gör också behovet av datarouting med hög kapacitet som kan hålla jämna steg med efterfrågan.

Att byta från elektroner till fotoner skulle påskynda denna process för den kommande informationsexplosionen, men ingenjörer måste först designa ett helt nytt bibliotek av enheter för att få dessa fotoner från input till output utan att blanda ihop dem och förlora dem i processen.

Framsteg inom databehandlingshastighet inom elektronik har förlitat sig på att göra deras kärnkomponenter mindre och mindre, men fotonikforskare har behövt ta ett annat tillvägagångssätt.

Feng, Zhao och deras kollegor siktar på att maximera komplexiteten hos fotoniska vågledare – de föreskrivna vägarna enskilda fotoner tar på sin väg från ingång till utgång – på ett givet chip.

Forskarnas prototypfotoniska chip är ungefär 250 mikron i kvadrat, och har ett tessellerat rutnät av ovala ringar. Genom att "pumpa" chippet med en extern laser, inriktade på att ändra de fotoniska egenskaperna hos enskilda ringar, de kan ändra vilken av dessa ringar som utgör gränserna för en vågledare.

Resultatet är en omkonfigurerbar topologisk isolator. Genom att ändra pumpmönstren, fotoner i olika riktningar kan dirigeras runt varandra, tillåter fotoner från flera datapaket att färdas genom chippet samtidigt, som ett komplicerat motorvägsbyte.

"Vi kan definiera kanterna så att fotoner kan gå från vilken ingångsport som helst till vilken utgångsport som helst, eller till och med till flera utgångar samtidigt, " Feng säger. "Det betyder att port-till-footprint-förhållandet är minst två storleksordningar större än dagens toppmoderna fotoniska routrar och switchar."

Ökad effektivitet och snabbhet är inte den enda fördelen med forskarnas upplägg.

"Vårt system är också robust mot oväntade defekter, " säger Zhao. "Om en av ringarna skadas av ett dammkorn, till exempel, den skadan skapar bara en ny uppsättning kanter som vi kan skicka fotoner längs med."

Eftersom systemet kräver en off-chip laserkälla för att omdefiniera formen på vågledarna, forskarens system är ännu inte tillräckligt litet för att vara användbart för datacenter eller andra kommersiella tillämpningar. Nästa steg för teamet blir att skapa ett snabbt omkonfigureringsschema på ett integrerat sätt.