Isoladores topológicos são uma classe de materiais que muda o jogo; partículas carregadas podem fluir livremente em suas bordas e se direcionar em torno dos defeitos, mas não pode passar por seus interiores. Esta condução de superfície perfeita é uma promessa para circuitos eletrônicos rápidos e eficientes, embora os engenheiros devam lutar com o fato de que os interiores de tais materiais são efetivamente espaço desperdiçado.

Agora, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, onde isoladores topológicos foram descobertos pela primeira vez em 2005, mostraram uma maneira de cumprir essa promessa em um campo onde o espaço físico é ainda mais valioso:a fotônica. Eles mostraram, pela primeira vez, uma forma de um isolante topológico aproveitar toda a sua pegada.

Usando fótons em vez de elétrons, chips fotônicos prometem velocidades de transferência de dados ainda mais rápidas e aplicativos densos de informações, mas os componentes necessários para construí-los permanecem consideravelmente maiores do que suas contrapartes eletrônicas, devido à falta de uma arquitetura de roteamento de dados eficiente.

Um isolador topológico fotônico com bordas que podem ser redefinidas instantaneamente, Contudo, ajudaria a resolver o problema da pegada. Ser capaz de rotear essas "estradas" entre si, conforme necessário, significa que todo o interior pode ser usado para construir links de dados de forma eficiente.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn construíram e testaram esse dispositivo pela primeira vez, publicando suas descobertas no jornal Ciência .

"Isso pode ter um grande impacto em aplicativos de grande capacidade de informação, como 5G, ou mesmo 6G, redes de celular, "diz Liang Feng, professor assistente nos Departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn Engineering e em Engenharia Elétrica e de Sistemas.

"Achamos que esta pode ser a primeira aplicação prática de isolantes topológicos, " ele diz.

Feng conduziu o estudo junto com o estudante graduado Han Zhao, um membro de seu laboratório. Companheiros membros do laboratório Xingdu Qiao, Tianwei Wu e Bikashkali Midya, junto com Stefano Longhi, professor da Universidade Politécnica de Milão, na Itália, também contribuiu com a pesquisa.

Os data centers que formam a espinha dorsal das redes de comunicação roteiam as chamadas, Texto:% s, anexos de e-mail e streaming de filmes para e entre milhões de aparelhos celulares. Mas, à medida que a quantidade de dados fluindo por meio desses data centers aumenta, o mesmo acontece com a necessidade de roteamento de dados de alta capacidade que possa acompanhar a demanda.

Mudar de elétrons para fótons aceleraria esse processo para a próxima explosão de informações, mas os engenheiros devem primeiro projetar uma nova biblioteca de dispositivos para obter esses fótons da entrada para a saída, sem misturá-los e perdê-los no processo.

Os avanços na velocidade de processamento de dados em eletrônicos têm feito com que seus principais componentes sejam cada vez menores, mas os pesquisadores da fotônica precisam adotar uma abordagem diferente.

Feng, Zhao e seus colegas se propuseram a maximizar a complexidade dos guias de onda fotônicos - os caminhos prescritos que os fótons tomam em seu caminho da entrada à saída - em um determinado chip.

O protótipo do chip fotônico dos pesquisadores tem cerca de 250 mícrons ao quadrado, e apresenta uma grade tesselada de anéis ovais. Ao "bombear" o chip com um laser externo, direcionado para alterar as propriedades fotônicas de anéis individuais, eles são capazes de alterar quais desses anéis constituem os limites de um guia de ondas.

O resultado é um isolante topológico reconfigurável. Ao mudar os padrões de bombeamento, fótons dirigidos em diferentes direções podem ser direcionados uns em torno dos outros, permitindo que fótons de vários pacotes de dados viajem através do chip simultaneamente, como um complicado cruzamento de rodovia.

"Podemos definir as bordas de forma que os fótons possam ir de qualquer porta de entrada para qualquer porta de saída, ou até mesmo para várias saídas de uma vez, "Feng diz." Isso significa que a proporção de portas para área ocupada é pelo menos duas ordens de magnitude maior do que os atuais roteadores e switches fotônicos de última geração.

O aumento da eficiência e da velocidade não é a única vantagem da abordagem dos pesquisadores.

"Nosso sistema também é robusto contra defeitos inesperados, "Zhao diz." Se um dos anéis for danificado por um grão de poeira, por exemplo, esse dano é apenas criar um novo conjunto de arestas com as quais podemos enviar fótons. "

Uma vez que o sistema requer uma fonte de laser fora do chip para redefinir a forma dos guias de onda, o sistema do pesquisador ainda não é pequeno o suficiente para ser útil para centros de dados ou outras aplicações comerciais. Os próximos passos para a equipe serão estabelecer um esquema de reconfiguração rápida de forma integrada.