为什么在绝缘体中，光子会受到“拓扑保护”

一项新的研究发现，一种被称为光子拓扑绝缘体的新材料有朝一日可以帮助太赫兹波以每秒一万亿比特的前所未有的速度在芯片上传输数据。

太赫兹波在电磁频谱上介于光波和微波之间。太赫兹波的频率从0.1太赫兹到10太赫兹不等，可能是未来6G无线网络的关键。有了这些网络，工程师们的目标是以每秒兆比特（万亿比特）的速度传输数据。

这种数据链路还可以极大地促进芯片内和芯片间的通信，以支持人工智能（AI）和基于云的技术，如自主驾驶。

新加坡南洋理工大学（Nanyang technology University）光子学研究员、这项新研究的合著者Ranjan Singh说：“人工智能和基于云的应用需要将大量数据传输到一个超高速、低延迟的互联设备。举个例子，一种使用人工智能来做决定的自动车辆，为了提高决策任务的效率，人工智能传感器需要以超高速接收相邻车辆的数据，才能实时执行这些动作。”

传统的太赫兹波导容易受到制造缺陷的影响，并且在急弯处会有相当大的信号损耗。现在，研究人员发现新兴的拓扑光子学领域可能有助于解决这些问题。

拓扑学是数学的一个分支，它探索形状的哪些特征可以在变形中存活下来。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以被推拉成杯子的形状，甜甜圈的孔形成杯子把手上的孔，但它不能变形成一个没有孔的形状，而不把它撕开。

最近，科学家们设计了光子拓扑绝缘体，在绝缘体中，光子同样受到“拓扑保护”。这些材料在其结构中具有规则的变化，导致特定波长的光在其内部流动而不发生散射或损耗，甚至在拐角处和缺陷处也是如此。

先前关于光子拓扑绝缘体的研究主要集中在微波和光学频率上。现在研究人员说，他们首次在实验上实现了太赫兹波的拓扑保护。

科学家们制造了一块190微米厚、8毫米乘26毫米的硅片。他们用一排排大小在84.9微米到157.6微米之间的三角形孔穿孔，较小的三角形指向较大的三角形的相反方向。这些孔排成一排，所有较大的三角形都向上或向下。进入该芯片的光沿着不同孔组之间的接口进行拓扑保护。

Photos： Nanyang Technological University/Osaka University/Nature PhotonicsAn experimental demonstration of uncompressed 4K high-definition video transmission using the new chip （right）。 The transmitted 4K high-definition video is shown on the monitor in the background. The terahertz-signal transmitter is on the left side; the receiver is on the right side.

在实验中，研究人员发现，即使在10个尖角（包括5个120度转弯和5个60度转弯）附近，太赫兹波也能平稳地行进，几乎没有损失。他们在0.335太赫兹的频率下实现了每秒11千兆比特的数据传输速率，比特错误率小于1万亿分之一。他们还表示，可以通过芯片以每秒6千兆比特的速度在这10个急弯处实时传输未压缩的4K高清视频。

先前的研究通过太赫兹波和光子晶体（结构的特征比设计用来处理的波长小）达到了每秒1.5千兆比特的数据速率。新工作中的光子拓扑绝缘体不仅显示出更高的数据传输速率，而且传统光子晶体在弯曲处会出现巨大的信号损耗，而在新材料中这种损耗可以忽略不计。日本大阪大学（Osaka University）的合著者和光子学研究员Masayuki Fujita说：“在设计片上多路复用器和分路器时，考虑到器件的小型化，这一点非常重要。”

研究人员指出，有很多方法可以提高他们的设置的数据速率，以达到每秒万亿比特的速度，尽管他们还没有在实验中证明这些速率。这些技术包括使用更高的频率、更多的带宽和更复杂的数据编码方案。

研究人员于4月13日在《自然光子学》杂志上详细介绍了他们的发现。
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