Les isolants topologiques sont une classe de matériaux qui change la donne ; les particules chargées peuvent circuler librement sur leurs bords et s'orienter autour des défauts, mais ne peuvent pas traverser leurs intérieurs. Cette conduction de surface parfaite est prometteuse pour des circuits électroniques rapides et efficaces, bien que les ingénieurs doivent composer avec le fait que les intérieurs de tels matériaux sont effectivement de l'espace gaspillé.

Maintenant, chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, où les isolants topologiques ont été découverts pour la première fois en 2005, ont montré un moyen de tenir cette promesse dans un domaine où l'espace physique est encore plus important :la photonique. Ils ont montré, pour la première fois, un moyen pour un isolant topologique d'exploiter l'intégralité de son empreinte.

En utilisant des photons au lieu d'électrons, les puces photoniques promettent des vitesses de transfert de données encore plus rapides et des applications riches en informations, mais les composants nécessaires à leur construction restent considérablement plus gros que leurs homologues électroniques, en raison de l'absence d'une architecture de routage de données efficace.

Un isolant topologique photonique avec des bords redéfinis à la volée, cependant, aiderait à résoudre le problème de l'empreinte. Le fait de pouvoir acheminer ces « routes » les unes autour des autres selon les besoins signifie que la totalité de la masse intérieure pourrait être utilisée pour établir efficacement des liaisons de données.

Des chercheurs de la Penn's School of Engineering and Applied Science ont construit et testé un tel appareil pour la première fois, publier leurs découvertes dans la revue Science .

« Cela pourrait avoir un impact important sur les applications à grande capacité d'information, comme la 5G, voire 6G, réseaux de téléphonie mobile, " dit Liang Feng, professeur adjoint aux départements de science et d'ingénierie des matériaux et d'ingénierie électrique et des systèmes de Penn Engineering.

"Nous pensons que cela peut être la première application pratique des isolants topologiques, " il dit.

Feng a dirigé l'étude avec l'étudiant diplômé Han Zhao, un membre de son laboratoire. Les autres membres du laboratoire Xingdu Qiao, Tianwei Wu et Bikashkali Midya, avec Stefano Longhi, professeur à l'Université Polytechnique de Milan en Italie, également contribué à la recherche.

Les centres de données qui forment l'épine dorsale des réseaux de communication acheminent les appels, les textes, pièces jointes d'e-mails et streaming de films vers et entre des millions d'appareils cellulaires. Mais à mesure que la quantité de données transitant par ces centres de données augmente, il en va de même du besoin d'un routage de données haute capacité capable de répondre à la demande.

Le passage des électrons aux photons accélérerait ce processus pour l'explosion d'informations à venir, mais les ingénieurs doivent d'abord concevoir une toute nouvelle bibliothèque de dispositifs pour faire passer ces photons de l'entrée à la sortie sans les mélanger et les perdre au cours du processus.

Les progrès de la vitesse de traitement des données en électronique ont consisté à rendre leurs composants de base de plus en plus petits, mais les chercheurs en photonique ont dû adopter une approche différente.

Feng, Zhao et leurs collègues ont entrepris de maximiser la complexité des guides d'ondes photoniques - les chemins prescrits que les photons individuels empruntent de l'entrée à la sortie - sur une puce donnée.

Le prototype de puce photonique des chercheurs mesure environ 250 microns au carré, et comporte une grille en mosaïque d'anneaux ovales. En "pompant" la puce avec un laser externe, visant à modifier les propriétés photoniques des anneaux individuels, ils sont capables de modifier lesquels de ces anneaux constituent les limites d'un guide d'ondes.

Le résultat est un isolant topologique reconfigurable. En modifiant les schémas de pompage, les photons dirigés dans différentes directions peuvent être acheminés les uns autour des autres, permettant aux photons de plusieurs paquets de données de traverser la puce simultanément, comme un échangeur routier compliqué.

"Nous pouvons définir les bords de telle sorte que les photons puissent passer de n'importe quel port d'entrée à n'importe quel port de sortie, ou même à plusieurs sorties à la fois, " dit Feng. " Cela signifie que le rapport ports/empreinte est supérieur d'au moins deux ordres de grandeur à celui des routeurs et commutateurs photoniques de pointe actuels. "

L'augmentation de l'efficacité et de la rapidité n'est pas le seul avantage de l'approche des chercheurs.

"Notre système est également robuste contre les défauts inattendus, " dit Zhao. " Si l'un des anneaux est endommagé par un grain de poussière, par exemple, ces dommages ne font que créer un nouvel ensemble de bords sur lesquels nous pouvons envoyer des photons."

Étant donné que le système nécessite une source laser hors puce pour redéfinir la forme des guides d'ondes, le système du chercheur n'est pas encore assez petit pour être utile aux centres de données ou à d'autres applications commerciales. Les prochaines étapes pour l'équipe seront d'établir un schéma de reconfiguration rapide de manière intégrée.