Patata fritta

Jul 06, 2023

Funzionalità del 30 maggio 2022

di Ingrid Fadelli, Phys.org

Gli isolanti topologici Floquet sono materiali con fasi topologiche che hanno origine da perturbazioni personalizzate dipendenti dal tempo della loro struttura cristallina. È stato dimostrato che questi materiali presentano proprietà di conduzione elettronica altamente insolite. Negli ultimi anni, c’è stato un notevole interesse nell’esplorazione di caratteristiche analoghe per le onde elettromagnetiche utilizzando metamateriali su misura, che promettono interessanti opportunità per un’ampia gamma di applicazioni, compreso lo sviluppo della comunicazione wireless, del radar e della tecnologia quantistica.

I ricercatori della Columbia University, della City University di New York e dell'Università del Texas ad Austin hanno recentemente introdotto gli isolanti topologici Floquet per onde radio con un design unico, basato sulla propagazione quasi elettrostatica dei segnali radio in reti di condensatori commutati. Il loro articolo, pubblicato su Nature Electronics, si basa sul lavoro precedente del team incentrato sugli isolanti topologici fotonici (PTI), una classe di materiali che possono guidare la luce in modi insoliti e vantaggiosi.

"Il Prof. Alu ed io siamo stati entrambi molto attivi nel campo dei materiali e dei circuiti modulati nel tempo", ha detto a Phys.org Harish Krishnaswamy, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Si tratta di materiali o circuiti in cui alcuni parametri variano nel tempo. Tali materiali o circuiti modulati nel tempo possono infrangere diversi limiti fondamentali associati a materiali o circuiti statici. Ad esempio, si può ottenere la non reciprocità, dove i segnali viaggiano in modi diversi in direzioni avanti e indietro, per costruire componenti non reciproci come circolatori e isolatori."

L'idea di costruire un circolatore modulato nel tempo e non reciproco potrebbe essere estesa alla progettazione di isolanti topologici, collegando molti circolatori in un reticolo. Sebbene gli scienziati dei materiali avessero già esplorato questa idea da un punto di vista teorico, finora non era mai stata dimostrata sperimentalmente. Una delle ragioni principali di ciò è che costruire molti circolatori modulati nel tempo in modo robusto e generalizzabile e collegarli è un compito impegnativo e finora questi dispositivi presentavano una larghezza di banda operativa moderata. Nell’ambito del loro studio, Krishnaswamy e i suoi colleghi sono stati in grado di integrare con successo questi circolatori modulati nel tempo su un chip di silicio, estendendo notevolmente la loro larghezza di banda operativa in base alla loro natura quasi elettrostatica.

"I circuiti integrati sono una potente piattaforma per costruire complessi circuiti modulati nel tempo con molti elementi in modo robusto e ripetibile", ha affermato Krishnaswamy. "Quindi, naturalmente, le domande che sono sorte sono state: 1) possiamo costruire un isolante topologico non reciproco modulato nel tempo su un chip? 2) per quali applicazioni pratiche sarebbe utile?"

Il chip PTI sviluppato dai ricercatori potrebbe essere utilizzato per creare una tecnologia wireless Phased Array full-duplex, che combina due diverse funzionalità wireless 5G: funzionamento full-duplex e multi-antenna. Nel loro articolo, il team ha infatti dimostrato la fattibilità del loro chip per la fabbricazione di una tecnologia radar a impulsi a banda ultralarga multi-antenna.

"I PTI non consentono la propagazione delle onde elettromagnetiche nella loro massa, ma garantiscono una propagazione delle onde efficiente e robusta sui loro confini, qualunque sia la loro forma", ha detto a TechXplore Andrea Alu, un altro ricercatore coinvolto nello studio. "Queste caratteristiche insolite sono assicurate da specifiche forme di simmetria rotta che caratterizzano la microstruttura di questi materiali artificiali."

Negli ultimi dieci anni circa, i ricercatori hanno sviluppato diversi tipi di PTI, la maggior parte dei quali si basa su simmetrie rotte nello spazio. Al contrario, i chip PTI sviluppati da Krishnaswamy, Alu e dai loro colleghi si basano sulla rottura della simmetria temporale. Il team e altri gruppi di ricerca hanno ipotizzato che questo fosse un approccio promettente per ottenere una propagazione delle onde elettromagnetiche più robusta sui confini dei dispositivi, poiché garantirebbe la propagazione unidirezionale e impedirebbe le riflessioni posteriori.