Los aislantes topológicos son una clase de materiales que cambian el juego; las partículas cargadas pueden fluir libremente en sus bordes y enrutarse alrededor de los defectos, pero no pueden pasar a través de sus interiores. Sin embargo, esta conducción superficial perfecta promete circuitos electrónicos rápidos y eficientes.Los ingenieros deben lidiar con el hecho de que los interiores de dichos materiales son un desperdicio de espacio efectivo.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Pensilvania, donde se descubrieron los aislantes topológicos por primera vez en 2005, han mostrado una forma de cumplir esa promesa en un campo donde el espacio físico es aún más importante: la fotónica. Han demostrado, por primera veztiempo, una forma para que un aislante topológico haga uso de toda su huella.
Al usar fotones en lugar de electrones, los chips fotónicos prometen velocidades de transferencia de datos aún más rápidas y aplicaciones densas en información, pero los componentes necesarios para construirlos siguen siendo considerablemente más grandes que sus contrapartes electrónicas, debido a la falta de una arquitectura eficiente de enrutamiento de datos.
Sin embargo, un aislante topológico fotónico con bordes que se puedan redefinir sobre la marcha ayudaría a resolver el problema de la huella. Ser capaz de enrutar estos "caminos" uno alrededor del otro según sea necesario significa que todo el interior podría usarse para construir datos de manera eficienteEnlaces.
Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn han construido y probado dicho dispositivo por primera vez, publicando sus hallazgos en la revista ciencia .
"Esto podría tener un gran impacto en aplicaciones de gran capacidad de información, como 5G, o incluso 6G, redes de teléfonos celulares", dice Liang Feng, profesor asistente en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Penn Engineering.
"Creemos que esta puede ser la primera aplicación práctica de aisladores topológicos", dice.
Feng dirigió el estudio junto con el estudiante graduado Han Zhao, un miembro de su laboratorio. Los miembros del laboratorio Xingdu Qiao, Tianwei Wu y Bikashkali Midya, junto con Stefano Longhi, profesor de la Universidad Politécnica de Milán en Italia, también contribuyeron ainvestigación.
Los centros de datos que forman la columna vertebral de las redes de comunicación enrutan llamadas, mensajes de texto, archivos adjuntos de correo electrónico y películas en streaming hacia y entre millones de dispositivos celulares. Pero a medida que aumenta la cantidad de datos que fluyen a través de estos centros de datos, también aumenta la necesidad deenrutamiento de datos de capacidad que puede mantenerse al día con la demanda.
Cambiar de electrones a fotones aceleraría este proceso para la próxima explosión de información, pero los ingenieros primero deben diseñar una biblioteca completamente nueva de dispositivos para obtener esos fotones de entrada a salida sin mezclarlos y perderlos en el proceso.
Los avances en la velocidad de procesamiento de datos en electrónica se han basado en hacer que sus componentes principales sean cada vez más pequeños, pero los investigadores de fotónica han tenido que adoptar un enfoque diferente.
Feng, Zhao y sus colegas se propusieron maximizar la complejidad de las guías de ondas fotónicas, las rutas prescritas por los fotones individuales en su camino de entrada a salida, en un chip dado.
El chip fotónico prototipo de los investigadores tiene aproximadamente 250 micras al cuadrado y presenta una cuadrícula de anillos ovales teselados. Al "bombear" el chip con un láser externo, cuyo objetivo es alterar las propiedades fotónicas de los anillos individuales, pueden alterar quéde esos anillos constituyen los límites de una guía de ondas.
El resultado es un aislador topológico reconfigurable. Al cambiar los patrones de bombeo, los fotones que se dirigen en diferentes direcciones pueden enrutarse entre sí, permitiendo que los fotones de múltiples paquetes de datos viajen a través del chip simultáneamente, como un complicado intercambio de autopistas.
"Podemos definir los bordes de modo que los fotones puedan pasar de cualquier puerto de entrada a cualquier puerto de salida, o incluso a múltiples salidas a la vez", dice Feng. "Eso significa que la relación de puertos a huella es de al menos dos órdenes demagnitud mayor que los enrutadores y conmutadores fotónicos de última generación ".
El aumento de la eficiencia y la velocidad no es la única ventaja del enfoque de los investigadores.
"Nuestro sistema también es robusto contra defectos inesperados", dice Zhao. "Si uno de los anillos está dañado por un grano de polvo, por ejemplo, ese daño solo está creando un nuevo conjunto de bordes a los que podemos enviar fotones."
Dado que el sistema requiere una fuente de láser sin chip para redefinir la forma de las guías de ondas, el sistema del investigador aún no es lo suficientemente pequeño como para ser útil para centros de datos u otras aplicaciones comerciales. Los próximos pasos para el equipo serán establecer un sistema rápidoesquema de reconfiguración de manera integrada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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