Топологичната фотоника позволява създаването на чипове, в които светлината може да заобикаля ъглите и дефектите без загуби, но с едно сериозно ограничение: светлината може да се движи само по краищата на структурата. По-голямата част от материала остава неизползвана. Китайски изследователи преодоляха това ограничение, като превърнаха почти цялата структура в „четирилентова магистрала“ за светлината, по която успоредно се движат четири независими микровълнови сигнала. Това проправя пътя към създаването на свръхкомпактни, плътни и ефективни фотонни чипове за комуникации, квантови технологии и оптични изчисления.

Обикновеният топологичен фотонен чип може да се представи като път, заобиколен от широки защитни бариери. Бариерите осигуряват плавно движение, но заемат много повече място от самия път. А какво би станало, ако всяка част от пътя помагаше за насочването на движението?

В основата на решението, предложено от учените от Югоизточния университет, стои клетъчна решетка от магнитни шини. Вместо да създават две изолирани области, разделени от граница, те са подбрали точно геометрията на устройството по такъв начин, че кристалът по естествен начин да разделя електромагнитните вълни на две така наречени „долини“. Във физиката „долините“ са различни импулсни състояния, които светлината може да заема вътре в кристала. Те се държат като отделни ленти на движение, въпреки че използват един и същ материал, пише IE.

След това изследователите са конструирали четири версии на тази решетка. Всяка версия свободно пропуска вълните, движещи се в едната долина, и служи като бариера за вълните, опитващи се да се движат в противоположната долина. Тази двойна функция се е оказала ключът към успеха. Вместо да обграждат всеки вълновод с неактивен изолиращ материал, изследователите са разположили четири области в повтарящ се цикличен ред. Всяка област пренася собствен сигнал и едновременно с това блокира нежеланите вълни от съседните области.

Каква е постигнато

Резултатът е топологичен вълновод без изолатори, с четири успоредни еднопосочни канала, включително два канала, пренасящи сигнали и в двете посоки, плътно разположени и без загуба на надеждност. За разлика от обичайните конструкции, при които светлината е ограничена от тясна граница, новата архитектура използва цялата налична площ за предаване, достигайки 100% ефективност на използване на пространството.

За целите на тестовете учените са изработили експериментален образец за микровълнови честоти. Сигналите успешно преминават през острите завои и тесните места, без да се отразяват назад и без да проникват в съседните канали. Дори когато геометрията е била умишлено изкривена, еднопосочното пренасяне е оставало стабилно.

Следващата стъпка ще бъде адаптирането на концепцията към значително по-високите оптични честоти, използвани в реалните фотонни схеми. Но ако това се получи, ще се появи възможност за създаване на значително по-компактни топологични фотонни чипове, способни да предават повече информация в същия обем, като същевременно запазват надеждността си.