Les isolants topologiques Floquet sont des matériaux avec des phases topologiques qui proviennent de perturbations adaptées au temps de leur structure cristalline. Il a été prouvé que ces matériaux présentent des propriétés de conduction électronique très inhabituelles. Ces dernières années, on s’est beaucoup intéressé à l’exploration de caractéristiques analogues pour les ondes électromagnétiques à l’aide de métamatériaux sur mesure, qui promettent des opportunités intéressantes pour un large éventail d’applications, notamment le développement de la communication sans fil, des radars et de la technologie quantique.
Des chercheurs de l’Université de Columbia, de la City University de New York et de l’Université du Texas à Austin ont récemment introduit des isolateurs topologiques Floquet pour les ondes radio avec une conception unique, basée sur la propagation quasi-électrostatique des signaux radio dans les réseaux à condensateurs commutés. Leur article, publié dans Électronique naturelles’appuie sur les travaux antérieurs de l’équipe axés sur les isolants topologiques photoniques (PTI), une classe de matériaux qui peuvent guider la lumière de manière inhabituelle et avantageuse.
« Le professeur Alu et moi avons tous deux été très actifs dans le domaine des matériaux et des circuits modulés dans le temps », a déclaré Harish Krishnaswamy, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Ce sont des matériaux ou des circuits où certains paramètres varient dans le temps. De tels matériaux ou circuits modulés dans le temps peuvent briser plusieurs limites fondamentales associées aux matériaux ou circuits statiques. Par exemple, on peut atteindre la non-réciprocité, où les signaux voyagent de différentes manières dans sens avant et arrière, pour construire des composants non réciproques tels que des circulateurs et des isolateurs. »
La notion de construction d’un circulateur non réciproque modulé dans le temps pourrait être étendue à la conception d’isolateurs topologiques, en connectant plusieurs circulateurs dans un réseau. Alors que les spécialistes des matériaux avaient auparavant exploré cette idée d’un point de vue théorique, jusqu’à présent, elle n’avait jamais été démontrée expérimentalement. L’une des principales raisons à cela est que la construction de nombreux circulateurs modulés dans le temps de manière robuste et généralisable, et leur connexion, est une tâche difficile, et jusqu’à présent, ces appareils présentaient une bande passante de fonctionnement modérée. Dans le cadre de leur étude, Krishnaswamy et ses collègues ont réussi à intégrer ces circulateurs modulés dans le temps sur une puce de silicium et à étendre considérablement leur bande passante de fonctionnement en fonction de leur nature quasi-électrostatique.
« Les circuits intégrés sont une plate-forme puissante pour construire des circuits complexes modulés dans le temps avec de nombreux éléments de manière robuste et reproductible », a déclaré Krishnaswamy. « Alors naturellement, les questions qui se sont posées étaient : 1) pouvons-nous construire un isolant topologique non réciproque modulé dans le temps sur une puce ? 2) à quelles applications pratiques cela serait-il utile ? »
La puce PTI développée par les chercheurs pourrait être utilisée pour créer une technologie sans fil à réseau phasé en duplex intégral, qui combine deux capacités sans fil 5G différentes : le fonctionnement en duplex intégral et multi-antennes. Dans leur article, l’équipe a en effet démontré la faisabilité de leur puce pour la fabrication d’une technologie de radar à impulsions ultra-large bande multi-antennes.
« Les PTI ne permettent pas la propagation des ondes électromagnétiques dans leur masse, mais elles assurent une propagation efficace et robuste des ondes sur leurs frontières, quelle que soit leur forme », a déclaré à TechXplore Andrea Alu, un autre chercheur impliqué dans l’étude. « Ces caractéristiques inhabituelles sont assurées par des formes spécifiques de symétrie brisée qui caractérisent la microstructure de ces matériaux artificiels. »
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé différents types de PTI, dont la plupart reposent sur des symétries brisées dans l’espace. En revanche, les puces PTI développées par Krishnaswamy, Alu et leurs collègues reposent sur la rupture de la symétrie temporelle. L’équipe et d’autres groupes de recherche ont émis l’hypothèse que c’était une approche prometteuse pour obtenir une propagation des ondes électromagnétiques plus robuste aux limites des appareils, car cela assurerait une propagation unidirectionnelle et empêcherait les réflexions arrière.
« Notre démonstration expérimentale est la première de cette classe de PTI pour les ondes électromagnétiques, dans laquelle la symétrie brisée dans le temps est obtenue en modifiant temporairement les propriétés du matériau avec des modèles de modulation sur mesure », a expliqué Alu. « Cette solution présente plusieurs avantages : elle permet une propagation de signal unidirectionnelle robuste le long de frontières arbitraires, prend en charge des bandes passantes beaucoup plus larges que n’importe quelle démonstration précédente d’un PTI et un facteur de forme extrêmement compact. »
La récente étude menée par cette équipe de chercheurs pourrait avoir des implications notables pour le développement d’outils de communication sans fil et d’autres technologies de pointe. La nouvelle forme de propagation des ondes électromagnétiques démontrée dans leur étude et la puce Floquet PTI qu’ils ont développée pourraient bientôt être intégrées et évaluées dans divers dispositifs.
« Les caractéristiques uniques mentionnées ci-dessus, c’est-à-dire sa robustesse, sa large bande passante et son facteur de forme extrêmement compact, sont idéales pour améliorer les systèmes de communication, comme nous le démontrons dans l’article dans quelques applications pertinentes », a ajouté Alu. « Nous explorons la mise en œuvre de ces appareils dans des systèmes sans fil pratiques pour améliorer la qualité des communications par téléphone portable et des systèmes radar. »
Aravind Nagulu et al, Isolants topologiques Floquet à l’échelle de la puce pour les systèmes sans fil 5G, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41928-022-00751-9
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