Detta schema (till vänster) visar implementeringen av vår Floquet PTI, bilden i mitten visar den faktiska enheten och till höger visar vi mätningar som visar den robusta utbredningen av elektromagnetiska signaler över enheten. Kredit:Nagulu et al.
Floquet topologiska isolatorer är material med topologiska faser som härrör från skräddarsydda tidsberoende störningar av deras kristallstruktur. Dessa material har visat sig ha mycket ovanliga elektronledningsegenskaper. Under de senaste åren har det funnits ett stort intresse för att utforska analoga egenskaper för elektromagnetiska vågor med hjälp av skräddarsydda metamaterial, som lovar spännande möjligheter för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive utveckling av trådlös kommunikation, radar och kvantteknologi.
Forskare vid Columbia University, City University of New York och University of Texas i Austin har nyligen introducerat Floquet topologiska isolatorer för radiovågor med en unik design, baserad på kvasi-elektrostatisk utbredning av radiosignaler i switchade kondensatornätverk. Deras uppsats, publicerad i Nature Electronics , bygger på teamets tidigare arbete med fokus på fotoniska topologiska isolatorer (PTI), en klass av material som kan styra ljus på ovanliga och fördelaktiga sätt.
"Prof. Alu och jag har båda varit mycket aktiva inom området tidsmodulerade material och kretsar," sa Harish Krishnaswamy, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Detta är material eller kretsar där någon parameter varieras i tid. Sådana tidsmodulerade material eller kretsar kan bryta flera grundläggande gränser förknippade med statiska material eller kretsar. Till exempel kan man uppnå icke-reciprocitet, där signaler färdas på olika sätt i framåt och bakåt, för att bygga icke-ömsesidiga komponenter såsom cirkulatorer och isolatorer."
Föreställningen om att bygga en tidsmodulerad, icke-reciprok cirkulator skulle kunna utvidgas till designen av topologiska isolatorer, genom att koppla många cirkulatorer i ett gitter. Medan materialforskare tidigare hade utforskat denna idé ur teoretisk synvinkel, har den hittills aldrig demonstrerats experimentellt. En viktig orsak till detta är att det är en utmanande uppgift att bygga många tidsmodulerade cirkulatorer på ett robust och generaliserbart sätt, och att ansluta dem, och hittills har dessa enheter haft en måttlig bandbredd. Som en del av deras studie kunde Krishnaswamy och hans kollegor framgångsrikt integrera dessa tidsmodulerade cirkulatorer på ett kiselchip och dramatiskt utöka deras bandbredd baserat på deras kvasi-elektrostatiska natur.
"Integrerade kretsar är en kraftfull plattform för att bygga komplexa tidsmodulerade kretsar med många element på ett robust och repeterbart sätt," sa Krishnaswamy. "Så naturligtvis var frågorna som uppstod:1) kan vi bygga en tidsmodulerad icke-reciprok topologisk isolator på ett chip? 2) vilka praktiska tillämpningar skulle det vara användbart för?"
PTI-chippet som utvecklats av forskarna kan användas för att skapa full-duplex phased-array trådlös teknologi, som kombinerar två olika 5G trådlösa funktioner:full-duplex och multi-antenn drift. I sin uppsats demonstrerade teamet verkligen genomförbarheten av deras chip för tillverkning av ultrabredbandspulsradarteknik med flera antenner.
"PTI:er tillåter inte utbredning av elektromagnetiska vågor i sin bulk, men de säkerställer effektiv och robust vågutbredning på sina gränser, hur formade de än är," sa Andrea Alu, en annan forskare som är involverad i studien, till TechXplore. "Dessa ovanliga egenskaper säkerställs av specifika former av bruten symmetri som kännetecknar mikrostrukturen hos dessa konstgjorda material."
Under det senaste decenniet eller så har forskare utvecklat olika typer av PTI, varav de flesta är beroende av brutna symmetrier i rymden. Däremot förlitar sig PTI-chipsen som utvecklats av Krishnaswamy, Alu och deras kollegor på att tidssymmetri bryts. Detta antogs av teamet och andra forskargrupper vara ett lovande tillvägagångssätt för att uppnå mer robust elektromagnetisk vågutbredning på enheternas gränser, eftersom det skulle säkerställa enkelriktad utbredning och förhindra bakåtreflektioner.
"Vår experimentella demonstration är den första i en sådan klass av PTI för elektromagnetiska vågor, där den brutna symmetrin i tid erhålls genom att ändra materialegenskaperna temporärt med skräddarsydda moduleringsmönster," förklarade Alu. "Den här lösningen har flera fördelar:den möjliggör robust enkelriktad signalutbredning längs godtyckliga gränser, stöder bandbredder som är mycket större än någon tidigare demonstration av en PTI och en extremt kompakt formfaktor."
Den nyligen genomförda studien som genomfördes av detta team av forskare kan få anmärkningsvärda konsekvenser för utvecklingen av trådlösa kommunikationsverktyg och andra toppmoderna teknologier. Den nya formen av elektromagnetisk vågutbredning som demonstrerades i deras studie och Floquet PTI-chipet som de utvecklade skulle snart kunna integreras och utvärderas i olika enheter.
"De unika egenskaperna som nämns ovan, det vill säga dess robusthet, stora bandbredd och extremt kompakta formfaktor, är idealiska för att förbättra kommunikationssystem, vilket vi visar i tidningen i ett par relevanta tillämpningar," tillade Alu. "Vi undersöker implementeringen av dessa enheter i praktiska trådlösa system för att förbättra kvaliteten på mobiltelefonkommunikation och radarsystem." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
