一些材料，如木材，是阻止电流流动的绝缘体。导体，例如铜，允许电流流过它们。其他材料——半导体——可以是/或取决于施加的电场或温度等条件。
然而，与木材、铜或硅不同，拓扑绝缘体 (TI) 是一种奇特的物质状态，在表面上是导电的，但在整体上是不导电的。这种独特的材料特性具有重大的科学意义，可用于一系列技术，包括无线通信、雷达和量子信息处理。
圣路易斯华盛顿大学 Preston M. Green 电气与系统工程系助理教授 Aravind Nagulu 以及哥伦比亚大学和纽约城市大学高级科学研究中心的同事通过合作，已在研究实验室展示了在集成芯片上首次实现电磁拓扑绝缘体。
集成电路上的第一个 Floquet 拓扑绝缘体。箭头显示了如何使用晶体管来实现非互易性。
该合作项目的研究结果于 5 月 2 日发表在《自然电子学》杂志上。
“拓扑绝缘体具有非常有趣的特性，并且本身就很有用。然而，当它们与非互易特性结合时，它们的真正潜力就会显现出来，”Nagulu 说。
Floquet 拓扑绝缘体具有由时变哈密顿量维持的奇异拓扑顺序，可用于一系列技术，包括无线通信、雷达和量子信息处理。然而，光子 Floquet 拓扑绝缘体的演示仅限于模拟具有空间维度的时间的系统，该系统保留了时间反转对称性，从而消除了包括非互易拓扑保护在内的有价值的特征。
非互易性确保了电磁 (EM) 波的单向传播。此属性可用于全双工通信，这是一种允许以有效方式同时使用相同频率传输和接收数据的方法，从而使频谱容量增加一倍。此外，如果波与介质内的任何畸形或不规则性接触，具有非互易特性的 TI 可防止由于反向散射而导致的信号强度衰减。
该团队能够使用精确设计的晶体管开关时间调制来在标准半导体 IC 上实现非互易性和拓扑绝缘特性，而无需使用特殊材料或极端条件。
这种微型集成芯片将 TI 的奇异领域与实际应用相结合。它还可以通过重新配置晶格中的单个单元格来按需重新路由 EM 波，从而创建灵活且任意路由 EM 波的结构。
该团队演示了如何将可重构集成电路用于新兴的 5G 无线应用，例如多天线全双工无线通信和多天线脉冲雷达。
参考链接：
用于 5G 无线系统的芯片级 Floquet 拓扑绝缘体，Nature Electronics (2022)。 DOI: 10.1038/s41928-022-00751-9
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