拓扑绝缘体是一种改变游戏规则的材料;带电粒子可以在它们的边缘自由流动并绕过缺陷，但不能穿过它们的内部。这种完美的表面传导有望实现快速高效的电子电路，尽管工程师必须应对这样的材料内部空间有效浪费的事实。

现在，2005年首次发现拓扑绝缘体的宾夕法尼亚大学的研究人员已经展示了一种在物理空间更加重要的领域实现这一承诺的方法：光子学。他们首次展示了拓扑绝缘体利用其整个足迹的方法。

通过使用光子代替电子，光子芯片可以实现更快的数据传输速度和信息密集型应用，但由于缺乏高效的数据路由架构，构建它们所需的组件仍然比电子对应物大得多。

然而，具有可在运行中重新定义的边缘的光子拓扑绝缘体将有助于解决占地面积问题。能够根据需要将这些“道路”围绕彼此布线意味着整个内部体积可用于有效地构建数据链路。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员首次建立并测试了这种设备，并在“科学”杂志上发表了他们的研究成果。

“这可能对大型信息容量应用产生重大影响，如5G甚至6G手机网络，”宾州工程材料科学与工程与电气与系统工程系助理教授梁峰说。

“我们认为这可能是拓扑绝缘子的第一次实际应用，”他说。

冯和他的实验室成员赵钊一起领导了这项研究。实验室成员Xingdu Qiao，Tianwei Wu和Bikashkali Midya以及意大利米兰理工大学教授Stefano Longhi也参与了这项研究。

构成通信网络骨干的数据中心将呼叫，文本，电子邮件附件和流媒体电影路由到数百万个蜂窝设备之间。但随着流经这些数据中心的数据量的增加，对能够满足需求的高容量数据路由的需求也在增加。

从电子转换为光子将加速这一过程，以应对即将到来的信息爆炸，但工程师必须首先设计一个全新的设备库，以便将这些光子从输入到输出，而不会混淆它们并在此过程中丢失它们。

电子产品中数据处理速度的进步依赖于使其核心部件越来越小，但光子学研究人员需要采取不同的方法。

Feng，Zhao和他们的同事着手最大化光子波导的复杂性 - 光子波导的指定路径 - 单个光子在输入到输出的路径上 - 在给定芯片上。

研究人员的原型光子芯片大约250平方微米，并具有椭圆环的镶嵌网格。通过用外部激光“泵浦”芯片，旨在改变各个环的光子特性，它们能够改变哪些环构成波导的边界。

结果是可重构的拓扑绝缘体。通过改变泵浦模式，朝向不同方向的光子可以相互路由，允许来自多个数据包的光子同时通过芯片，如复杂的高速公路交汇处。

“我们可以定义边缘，使得光子可以从任何输入端口到达任何输出端口，甚至可以同时到达多个输出，”Feng说。 “这意味着端口到封装比率至少比目前最先进的光子路由器和交换机高两个数量级。”

提高效率和速度并不是研究人员方法的唯一优势。

“我们的系统也能抵御意外缺陷，”赵说。例如，如果其中一个环被一粒灰尘损坏，那么这种损坏只会产生一组新的边缘，我们就可以发送光子。“

由于系统需要片外激光源来重新定义波导的形状，因此研究人员的系统还不够小，无法用于数据中心或其他商业应用。该团队的后续步骤将是以集成方式建立快速重新配置方案。