Isoladores topológicos Floquet em escala de chip para aprimorar as comunicações sem fio 5G

Este esquema (esquerda) mostra a implementação do nosso Floquet PTI, a imagem no meio mostra o dispositivo real e à direita mostramos as medições que demonstram a propagação robusta de sinais eletromagnéticos pelo dispositivo. Crédito:Nagulu et al.

Os isolantes topológicos Floquet são materiais com fases topológicas que se originam de perturbações dependentes do tempo de sua estrutura cristalina. Esses materiais provaram apresentar propriedades de condução de elétrons altamente incomuns. Nos últimos anos, tem havido um interesse significativo em explorar características análogas para ondas eletromagnéticas usando metamateriais personalizados, que prometem oportunidades interessantes para uma ampla gama de aplicações, incluindo o desenvolvimento de comunicação sem fio, radar e tecnologia quântica.
Pesquisadores da Universidade de Columbia, da Universidade da Cidade de Nova York e da Universidade do Texas em Austin introduziram recentemente os isoladores topológicos Floquet para ondas de rádio com um design exclusivo, baseado na propagação quase eletrostática de sinais de rádio em redes de capacitores comutados. Seu artigo, publicado na Nature Electronics , baseia-se no trabalho anterior da equipe com foco em isoladores topológicos fotônicos (PTIs), uma classe de materiais que podem guiar a luz de maneiras incomuns e vantajosas.

"Prof. Alu e eu temos sido muito ativos na área de materiais e circuitos modulados no tempo", disse Harish Krishnaswamy, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Estes são materiais ou circuitos onde algum parâmetro é variado no tempo. Tais materiais ou circuitos modulados no tempo podem quebrar vários limites fundamentais associados a materiais ou circuitos estáticos. Por exemplo, pode-se alcançar a não reciprocidade, onde os sinais viajam de maneiras diferentes em direções para frente e para trás, para construir componentes não recíprocos, como circuladores e isoladores."

A noção de construção de um circulador não recíproco modulado no tempo poderia ser estendida ao projeto de isoladores topológicos, conectando muitos circuladores em uma rede. Embora os cientistas de materiais já tivessem explorado essa ideia do ponto de vista teórico, até agora ela nunca havia sido demonstrada experimentalmente. Uma das principais razões para isso é que construir muitos circuladores modulados no tempo de maneira robusta e generalizável e conectá-los é uma tarefa desafiadora e, até agora, esses dispositivos apresentavam uma largura de banda de operação moderada. Como parte de seu estudo, Krishnaswamy e seus colegas conseguiram integrar com sucesso esses circuladores modulados no tempo em um chip de silício e ampliar drasticamente sua largura de banda de operação com base em sua natureza quase eletrostática.

"Circuitos integrados são uma plataforma poderosa para construir circuitos modulados no tempo complexos com muitos elementos de forma robusta e repetível", disse Krishnaswamy. "Então, naturalmente, as perguntas que surgiram foram:1) podemos construir um isolador topológico não recíproco modulado no tempo em um chip? 2) para quais aplicações práticas ele seria útil?"

O chip PTI desenvolvido pelos pesquisadores pode ser usado para criar tecnologia sem fio full-duplex phased-array, que combina dois recursos sem fio 5G diferentes:operação full-duplex e multi-antena. Em seu artigo, a equipe de fato demonstrou a viabilidade de seu chip para a fabricação de tecnologia de radar de impulso de banda ultralarga multi-antena.

“Os PTIs não permitem a propagação de ondas eletromagnéticas em seu volume, mas garantem uma propagação de ondas eficiente e robusta em seus limites, independentemente do formato”, disse Andrea Alu, outra pesquisadora envolvida no estudo, ao TechXplore. “Essas características incomuns são garantidas por formas específicas de simetria quebrada que caracterizam a microestrutura desses materiais artificiais”.

Ao longo da última década, pesquisadores desenvolveram diferentes tipos de PTIs, a maioria dos quais depende de simetrias quebradas no espaço. Em contraste, os chips PTI desenvolvidos por Krishnaswamy, Alu e seus colegas dependem da quebra da simetria do tempo. Isso foi hipotetizado pela equipe e outros grupos de pesquisa como uma abordagem promissora para obter uma propagação de ondas eletromagnéticas mais robusta nos limites dos dispositivos, pois garantiria a propagação unidirecional e evitaria reflexões.

"Nossa demonstração experimental é a primeira dessa classe de PTIs para ondas eletromagnéticas, na qual a simetria quebrada no tempo é obtida alterando as propriedades do material temporalmente com padrões de modulação personalizados", explicou Alu. "Esta solução tem vários benefícios:permite a propagação robusta de sinal unidirecional ao longo de limites arbitrários, suporta larguras de banda muito maiores do que qualquer demonstração anterior de um PTI e um formato extremamente compacto."

O recente estudo realizado por esta equipe de pesquisadores pode ter implicações notáveis para o desenvolvimento de ferramentas de comunicação sem fio e outras tecnologias de ponta. A nova forma de propagação de ondas eletromagnéticas demonstrada em seu estudo e o chip Floquet PTI que eles desenvolveram poderão em breve ser integrados e avaliados em vários dispositivos.

“Os recursos exclusivos mencionados acima, ou seja, sua robustez, grande largura de banda e formato extremamente compacto, são ideais para aprimorar os sistemas de comunicação, como demonstramos no artigo em algumas aplicações relevantes”, acrescentou Alu. "Estamos explorando a implementação desses dispositivos em sistemas sem fio práticos para melhorar a qualidade das comunicações de telefones celulares e sistemas de radar". + Explorar mais