拓撲絕緣體是一種優(yōu)異的材料，這種近乎完美的表面?zhèn)鲗?dǎo)為快速有效的電子電路帶來了希望，盡管工程師們必須面對這樣一個事實，即這些材料內(nèi)部實際上是浪費的空間。

現(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員展示了一種方法，可以在物理空間更加寶貴的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)這點。2005年賓夕法尼亞大學(xué)首次發(fā)現(xiàn)了拓撲絕緣體，首次展示了拓撲絕緣體利用其整個足跡的方法。

通過使用光子而不是電子，光子芯片有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和信息密集型應(yīng)用。具有可即時重新定義邊緣的光子拓撲絕緣體將有助于解決足跡問題。能夠根據(jù)需要將這些“道路”彼此繞過，這意味著整個內(nèi)部體積可以用于高效地構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈路。賓夕法尼亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員首次建造并測試了這種設(shè)備，其研究發(fā)現(xiàn)并發(fā)表《科學(xué)》期刊上。這可能會對5G，甚至6G，手機網(wǎng)絡(luò)等大信息容量的應(yīng)用產(chǎn)生很大影響，這可能是拓撲絕緣體的第一個實際應(yīng)用。

構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)主干的數(shù)據(jù)中心將呼叫、文本、電子郵件附件和流媒體電影路由到數(shù)以百萬計的蜂窩設(shè)備之間。但是，隨著流經(jīng)這些數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量增加，對能夠跟上需求高容量數(shù)據(jù)路由的需求也在增加。從電子轉(zhuǎn)換為光子將加速即將到來的信息爆炸的這一過程，但工程師必須首先設(shè)計一個全新的設(shè)備庫。所以，研究人員著手在給定芯片上最大化光子波導(dǎo)的復(fù)雜性，單個光子在從輸入到輸出過程中所采用的規(guī)定路徑。

光子芯片原型大約是250平方微米，并以橢圓形環(huán)的鑲嵌網(wǎng)格為特征。通過用外部激光“泵送”芯片，目標(biāo)是改變單個環(huán)的光子特性，也能夠改變這些環(huán)中的哪些環(huán)構(gòu)成波導(dǎo)邊界。其結(jié)果是可重構(gòu)的拓撲絕緣體，改變不同方向的光子可以相互繞過。而且能夠讓來自多個數(shù)據(jù)包的光子同時通過芯片，就像復(fù)雜的高速公路立交橋一樣。可以定義邊緣，使光子可以從任何輸入端口傳輸?shù)饺魏屋敵龆丝冢踔烈淮蔚竭_多個輸出端口。

這意味著端口對占地面積的比率比當(dāng)前最先進的光子路由器和交換機至少高出兩個數(shù)量級。提高效率和速度并不是唯一優(yōu)勢，該系統(tǒng)對于意外的缺陷也很穩(wěn)定，例如，如果其中一個環(huán)被一粒灰塵損壞，這種損壞只是制造出一組新的邊緣，可以沿著這些邊緣發(fā)送光子。由于該系統(tǒng)需要芯片外激光源來重新定義波導(dǎo)的形狀，因此研究系統(tǒng)還不夠小，不足以用于數(shù)據(jù)中心或其他商業(yè)應(yīng)用，所以下一步將是以集成的方式建立快速重新配置方案。

博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1364/OME.9.000095

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