瑞士和法国的物理学家展示了一种新型拓扑绝缘体，它对缺陷和其他类型的无序特别有弹性。该团队在一系列微波频率桌面实验中测试了该系统，可用于涉及能量或数据传输的应用，例如 5G 通信。

多节波函数

拓扑绝缘体是容纳电子的奇特材料，其波函数包含一种结。这个结阻止了绝缘材料与外部世界之间的平滑过渡，导致它们在末端传导电磁波。

2007 年首次通过实验证明，拓扑绝缘体的二维形式是一个绝缘平面，电流在其边缘流动。这些电流非常强劲，因为即使存在材料变形，它们也会继续流动。这表明新的类似芯片的设备有可能用于路由能量和信息——无论是经典的还是基于量子的——可以容忍制造中的重大错误。

专注于散射

在最新的工作中，洛桑 EPFL 的 Romain Fleury 及其同事分析了一个被称为非互易散射体的二维网络，每个散射体都以蜂窝结构与三个最近的邻居相连。这些散射体之间的联系——由酉矩阵的数学描述——允许能量仅沿一个方向流动，并且还会引入从一个散射体到另一个散射体的相位延迟。

Fleury 和同事通过改变散射体的反射率来进行分析。低反射率对应于新的“异常”拓扑相，而较高的反射率产生了一个成熟的相，称为陈绝缘体。后一阶段不受局部缺陷的反向散射影响，但对材料中较大量级的分布无序的影响较差。

正如研究人员指出的那样，陈绝缘体只能在特定类型的带隙内（沿其边缘）导电。相比之下，他们发现异常拓扑相应该支持所有带隙上的边缘电流，从而使其传导对能量波动可能更加稳健。

测试概念

事实上，这就是团队在一系列模拟和实验中测试这个想法时发现的。研究人员首先模拟了将能隙插入蜂窝网络的效果。与上半部分的散射体相比，他们通过固定结构下半部分散射体之间更大的相位延迟来做到这一点。他们发现，当散射体仅反射入射能量的一小部分时，馈入网络顶部的信号会传播到底部——显示出异常相位的弹性——但当散射体具有类似陈省身的反射率时，信号被转移。

研究人员通过建立一个由铁氧体环行器组成的散射体网络通过微带线连接来实验证实了这一结果，网络上半部分的线是直的，下半部分的线是蛇形的（以增加相位延迟） . 他们通过向网络馈送两种不同频率的微波来代表这两个相位，他们证实只有在异常相位的情况下，才会从网络底部发射电磁波。

更重要的是，研究人员发现，即使在不规则网络上进行测试时，异常阶段也保持稳健。他们通过制造一个瑞士形状的桌面网络来做到这一点，其中包含位于该国周边六个城市的港口。该模型的目的是使用异常拓扑相位依次连接每个“城市”，同时将信号与任何其他城市隔离。

以顺时针顺序将微波馈送到端口并映射异常相位带中的场，他们发现在每种情况下，电磁波都是从以下端口发射的，并且（大部分）仅从该端口发射——尽管在制造过程中产生了不准确和收缩.

5G 的“新一代波浪系统”？

Fleury 及其同事表示，他们的桌面实验与标准印刷电路板微波技术和现成组件兼容。因此，他们认为这可能会导致“新一代波系统可以提供可重构的点对点单向能量引导。” 特别是，他们建议将来可能会采用它来塑造发射器和手机之间的多个波束，以进行 5G 通信。

他们说，在此之前，他们需要将该技术与现场可编程门阵列集成，以便从外部控制波路径。他们还计划添加更多功能，例如小型辐射元件，以便将该技术用于通信。