Floquet拓扑绝缘体是一种具有拓扑相的材料，这种材料已被证明具有极不寻常的电子传导特性。近年来，人们对使用定制的超材料(指的是一类具有特殊性质的人造材料)来探索电磁波的类似特征产生了浓厚的兴趣，这为广泛的包括无线通信、雷达和量子技术的应用与发展带来了激动人心的机会。

最近，来自哥伦比亚大学、纽约城市大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发出了一种独特的能用于无线电波的Floquet拓扑绝缘体。他们的研究论文发表在近期的《自然·电子学》上。该成果是基于此团队之前在光子拓扑绝缘体(PTI)方面所做出的的努力，这是一类可以以不寻常且有利的方式来引导光的材料。

进行这项研究的研究人员之一Harish Krishnaswamy,说：“这些材料(或电路)的某些参数会随时间而发生变化。这种由时间调制的材料可以打破与静态材料(或电路)相关的几个基本限制。例如，我们可以实现非互易性，即信号以不同的方式向前和反向传播，从而构建出非互易组件，如环行器和隔离器。”

通过把大量环行器连接成一个晶格，可以将构建时间调制、非互易环行器的概念扩展到拓扑绝缘体的设计中。虽然材料科学家之前曾从理论的角度探索过这一想法，但在此之前，它从未被实验证明过。造成这种情况的一个关键原因是，以稳健且可通用的方式构建大量时间调制环行器并将它们连接起来是一项具有挑战性的任务。Krishnaswamy和他的同事们成功地将这些时间调制环行器集成到硅芯片上，并根据它们的准静电特性显着扩展其工作带宽。

Krishnaswamy说：“集成电路是一个强大的平台，它可以以稳健和可重复的方式去构建包含有许多元素的复杂时间调制电路。所以很自然地，会出现的这样疑问：我们能否能在芯片上构建出时间调制的非互易拓扑绝缘体？它对哪些实际的应用有帮助？”

该团队研究人员开发的PTI芯片可用于创建全双工相控阵无线技术，该技术结合了两种不同的5G无线功能：全双工和多天线操作。在他们的论文中，该团队确实证明了他们的芯片有用于制造多天线超宽带脉冲雷达技术的可行性。

参与该研究的另一位研究人员Andrea Alu说道：“PTI不允许大量传播电磁波，但它们能确保在其边界上进行有效且稳健的波传播，且无论其形状如何。而这种不寻常的特征是由这些人造材料微观结构的特定对称性破坏形式所来确保的。”

在过去十年左右的时间里，研究人员开发了不同类型的PTI，其中大多数依赖于空间中的破坏对称性。相比之下，由Krishnaswamy、Alu和他们的同事开发的PTI芯片依赖于对时间对称性的破坏。

Alu说：“我们的实验是用于电磁波的首个此类PTI演示，它是通过使用定制的调制模式暂时改变材料特性来获得时间上的破坏对称性，这个解决方案有几个好处：它可以沿任意边界实现稳健的单向信号传播，并支持比以前任何PTI演示都要大得多的带宽，而且具有极其紧凑的外形尺寸。”

这组研究人员最近进行的这项研究可能会对无线通信工具和其他先进技术的开发产生显着的影响。而且他们研究中演示的新形式的电磁波传播以及他们所开发的Floquet PTI芯片预计很快就可以在各种设备中进行集成和评估。

Alu补充说道：“正如我们在论文里在几个相关应用中所演示的那样，上述独特的特性，即它的稳健性、大带宽和极其紧凑的外形尺寸，非常适合用于增强通信系统。我们正在探索如何在实际无线系统中实施这些设备，以提高手机通信和雷达系统的质量。”（编译:Qtech）