瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們，已經開發出了一種基於拓補的新方法。 得益於拓補絕緣體材料的特殊結構，其能夠迫使光子和電子僅沿著材料邊界單向移動。 這些粒子幾乎不會遇到阻力，且能夠自由穿過各種障礙物，比如雜質、製造缺陷、電路內信號軌跡的變化、或有意防在粒子前進路線上的其它物體。

多路複用拓補隔離裝置（圖自：Zhe Zhang / EPFL 2021）

EPFL 工程學院波浪工程實驗室負責人 Romain Fleury 教授稱：「這些粒子不會被障礙物反彈，而是能夠像流經岩石的河水一樣繞過障礙物」。。

具有可重構特性的拓撲隔離裝置

此前，這些粒子對障礙物的特殊彈性，僅適用於材料中的有限擾動，意味著我們難以在基於光子學的應用中廣泛利用這種特性。

研究配圖 – 1：拓撲非互易波網路及其體能帶結構

好消息是，隨著 Fleury 教授與博士生 Zhe Zhnag、以及來自 ENS Lyon 物理實驗室的 Pierre Delplace 共同開展的深入研究，這種情況或很快發生改變。

研究配圖 – 2：非互易波網路中的異常和 Chern 拓撲相位

在近日發表於《自然》（Nature）雜誌上的一篇文章中，研究團隊介紹了一種特殊的拓補絕緣體，特點是在其中傳輸的微波光子，能夠經受住前所未有的無序度。

研究配圖 – 3：異常非互易拓撲邊緣傳輸的卓越魯棒性

Zhang 表示：「我們能夠創造出一種罕見的拓補相，並將其表徵為異常拓補絕緣體。 這源於幺正群的數學特性，可賦予材料獨特且出乎意料的傳輸特性”。

研究配圖 – 4：不規則形狀與無序網路實驗

Fleury 教授指出，這項發現為科學技術的新進步帶來了巨大的希望：

當工程師設計超頻電路時，必須做到非常小心，以確保不會遭遇波的反彈，而是沿著給定路徑、引導並通過一系列的元件，這也是我教給電氣工程專業學生的第一件事。

這種被稱作阻抗匹配的內在約束，限制了我們操縱波信號的能力。 然而通過這項新發現，我們得以採取完全不同的方法，使用拓補結構來構建電路和設備、而無需擔心阻抗匹配 —— 這是當前限制現代技術應用範圍的一個主要因素。

目前研究團隊正在實驗室研究其新型拓撲絕緣體的具體應用，預計新型拓補電路將對下一代通信系統發揮重要的影響。

Fleury 教授稱，此類系統需要高度可靠、且易於重新配置的電路。 此外研究小組還在積極設想如何將這一發現應用於新型光子處理器和量子計算機的開發。