免疫制造缺陷的新型拓扑绝缘体

瑞士和法国的物理学家发明了一种新型拓扑绝缘体，能够免疫无序等各类缺陷（文章见：Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03868-7）。研究团队已在微波频率下对此系统进行了一系列实验测试，证实该系统有潜力应用于能源、数据传输中，比如5G通信。

图1 瑞士洛桑联邦理工学院、法国里昂大学的研究人员发明了一种具有抗干扰能力的拓扑绝缘体

波函数

拓扑绝缘体是一种奇特的材料，其中存在一种电子。这类电子的波函数含有一种特殊“扭结”状结构；扭结结构在绝缘材料与外部之间的产生一种平滑的过渡，使得绝缘材料可在边界或末端导电。

2007年通过实验首次证明，二维拓扑绝缘体是一种边缘有电流流动的绝缘平面；其边缘流过的电流非常强劲，即使在材料变形的情况下也仍然可以继续流动。这种特性给新型传统及量子芯片打开了新的大门，人们将有可能制造出一种能包容制造过程中造成的巨大缺陷的新型芯片。

实验研究

在最新的工作中，瑞士洛桑联邦理工学院的Romain Fleury及其同事对一个由非互易性散射体组成的二维网络进行了分析。其中每个散射体都以蜂窝状结构与相邻最近的三个相连，散射体之间的关系在数学上由幺正矩阵描述。这些散射体之间的网络，使得能量只向一个方向流动，同时使一个散射体到另一个散射体之间有一定相位延迟。

Fleury及其同事们通过改变散射体的反射率，进行了一系列分析。低反射率对应一个新的“反常”拓扑相，而高反射率对应被称为“陈绝缘体”的相。陈绝缘体相不受局部缺陷造成的后向散射影响，但对材料中较大量级的无序分布的抗干扰能力较小。研究人员指出，陈绝缘体只能沿绝缘体的边缘、某种特定类型的带隙内导电；相反，根据他们的计算，反常的拓扑相可在所有类型带隙中导电，因此对于其所传导能量的波动的抗干扰能力更强。

概念测试

该团队在一系列模拟和实验中验证了这一想法。研究人员首先模拟了在蜂窝网络中插入能量带隙产生的影响，通过在结构下半部分和上半部分的散射体之间制造更大的相位延迟，模拟出能量带隙的效果。研究人员发现，当散射体只反射入射能量的一小部分时，反馈到网络顶部的信号可以传播到网络底部；这一结果证明了反常拓扑相的抗干扰能力；当散射体具有类似陈散射体的特性时，信号就会偏离。

研究人员搭建了一个由微带线连接的铁氧体环行器组成的散射体网络，进一步通过实验证实了这一结果。该网络的上半部分的线是直线形，而下半部分线则是蛇形，以增加相位延迟。通过向网络提供两种不同频率的微波来代表这两个相，研究人员证实只有在反常拓扑相的情况下，电磁波才可以从网络的底部发射出来。

研究人员进一步发现，反常拓扑相即使在不规则的网络上仍然非常稳定。他们在桌面上搭建了一个瑞士国土形状的网络，做出了瑞士周边六个城市港口的形状。该模型的目的是使用反常拓扑相顺序连接每个“城市”，同时隔离来自任何其他城市的信号。研究人员顺时针向端口输入微波，并在反常拓扑相的波段上绘制磁场图，结国发现在每种情况下电磁波都是从下面的端口发射，甚至大部分只发射于该端口——尽管在制造过程中存在不准确等误差。

5G新一代波传导系统

Fleury及其同事们表示，他们的桌面实验与标准印刷电路板微波技术和现成的组件兼容。因此，他们认为此项研究将有望应用于“可提供可重构点对点单向能量传输的新一代波传导系统”。研究人员特别指出，未来这一研究可以应用于5G中传输发射器和手机之间的多路传输。

研究人员表示，目前此项技术仍然需要进一步改进，以集成至可编程门阵列中，控制外部波的传输路径。他们还计划增加更多的功能，如小型辐射单元等，以便将该技术用于通信。