Topologiska isolatorer är material vars struktur tvingar fotoner och elektroner att röra sig endast längs materialets gräns och endast i en riktning. Dessa partiklar upplever lite motstånd och färdas fritt förbi hinder som föroreningar, tillverkningsfel, en förändring av signalens bana inom en krets, eller föremål placerade avsiktligt i partiklarnas väg. Det beror på att dessa partiklar, istället för att reflekteras av hindret, gå runt den "som flodvatten som rinner förbi en sten, " säger prof. Romain Fleury, chef för EPFL:s laboratorium för vågteknik, inom Ingenjörshögskolan.

Tills nu, dessa partiklars exceptionella motståndskraft mot hinder tillämpas endast på begränsade störningar i materialet, vilket innebär att den här egenskapen inte kunde utnyttjas brett i fotonikbaserade applikationer. Dock, det kan snart förändras tack vare forskning som utförs av prof. Fleury tillsammans med hans doktorsexamen. student Zhe Zhang och Pierre Delplace från ENS Lyon Physics Laboratory. Deras studie, dyker upp i journalen Natur , introducerar en topologisk isolator där överföringen av mikrovågsfotoner kan överleva oöverträffade nivåer av störningar.

"Vi kunde skapa en sällsynt topologisk fas som kan karakteriseras som en anomal topologisk isolator. Denna fas uppstår från de matematiska egenskaperna hos enhetliga grupper och ger materialet unika - och oväntade - överföringsegenskaper, säger Zhang.

Denna upptäckt har stora löften för nya framsteg inom vetenskap och teknik. "När ingenjörer designar hyperfrekvenskretsar, de måste vara mycket noga med att se till att vågor inte reflekteras utan snarare styrs längs en given väg och genom en serie komponenter. Det är det första jag lär mina elektroteknikstudenter, " säger prof. Fleury. "Denna inneboende begränsning, känd som impedansmatchning, begränsar vår förmåga att manipulera vågsignaler. Dock, med vår upptäckt, vi kan ta ett helt annat tillvägagångssätt, genom att använda topologi för att bygga kretsar och enheter utan att behöva oroa sig för impedansmatchning – en faktor som för närvarande begränsar omfattningen av modern teknik."

Prof. Fleurys labb arbetar nu med konkreta tillämpningar för deras nya topologiska isolator. "Dessa typer av topologiska kretsar kan vara extremt användbara för att utveckla nästa generations kommunikationssystem, " säger han. "Sådana system kräver kretsar som är mycket tillförlitliga och lätta att omkonfigurera." Hans forskargrupp tittar också på hur upptäckten kan användas för att utveckla nya typer av fotoniska processorer och kvantdatorer.