新型拓撲絕緣體可為5G系統倍增頻寬

作者 : Washington University in St. Louis

美國研究人員展示首次在整合晶片上實現電磁拓撲絕緣體,據稱可為5G系統倍增頻譜頻寬...

諸如木材等材料可作為阻止電流流動的絕緣體;而例如銅等導體則允許電流流過。其他材料——如半導體,則取決於所施加的電場或溫度等條件。

然而,相較於木材、銅或矽,拓撲絕緣體(topological insulator;TI)是一種奇特的物質狀態,表面上是導電的,但整體卻不導電。這種獨特的材料特性具有重大的科學意義,可用於一系列技術,包括無線通訊、雷達和量子資訊處理。

美國華盛頓大學(Washington University in St. Louis)的Preston M. Green電氣與系統工程系助理教授Aravind Nagulu,聯手哥倫比亞大學(Columbia University)和紐約市立大學(City University of New York)先進科學研究中心(Advanced Science Research Center),展示首次在整合片上實現電磁拓撲絕緣體。

該合作計劃的研究結果發表於近期的《自然電子學》(Nature Electronics)期刊上。

Nagulu說:「拓撲絕緣體具有非常有趣的特性,而且本身就很有用。然而,當其結合了非相互易位的特性時,即顯現其真正的潛力,」。New tech can double spectral bandwidth in some 5G systems

IC上的第一個Floquet拓撲絕緣體。箭頭顯示如何使用電晶體實現非互易性。(圖片來源Washington University in St. Louis)

研究人員指出,該方法為電磁波提供了非互易Floquet拓撲絕緣體,並開啟了一個跨越GHz頻率的更大拓撲能隙。該元件利用時間調變超越傳統線性非時變電磁結構的延遲寬頻限制,因此儘管頻寬很寬廣也仍能提供較大延遲。

Floquet拓撲絕緣體具有由時變(Time Varying)哈密頓量(Hamiltonian)維持的新穎拓撲順序,可用於一系列技術,包括無線通訊、雷達和量子資訊處理。然而,研究人員展示的光子Floquet拓撲絕緣體僅限於模擬具有空間維度的時間系統,該系統保留了時間反轉對稱性,並因而消除了包括非互易拓撲保護在內的有價值特性。

非互易性確保了電磁(EM)波的單向傳播。此屬性可用於全雙工通訊,這是一種允許以有效方式使用相同頻率同時傳輸和接收數據的方法,從而使頻譜容量增加一倍。此外,如果波與介質內的任何變形或不規則性接觸,具有非互易特性的拓撲絕緣體則可防止由於反向散射而導致的訊號強度衰減。

該團隊能夠使用精確設計的電晶體開關時間調變,在標準半導體IC上實現非互易性和拓撲絕緣特性,而無需使用特殊材料或極端條件。

這種微型整合晶片將拓撲絕緣體結合於實際應用中,還可以透過重新配置晶格中的單個單元格並按需求重新佈線電磁波,從而創建靈活且任意佈線電磁波的結構。

Floquet拓撲絕緣體整合於CMOS晶片中,研究人員展示如何將可重配置IC用於新興的5G無線應用,例如多天線全雙工無線通訊、多天線脈衝雷達以及基於即時延遲的寬頻波束形成,描述其於5G無線系統中的潛力。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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