时间泵示意图。信贷:Guarav巴尔

　　拓扑泵可以为通信技术提供稳定性。

　　当今的大多数技术都依赖于以光、无线电或机械波的形式传输能量的设备。然而，无论是在制造过程中还是在恶劣的环境中使用后，这些波导通道都容易发生混乱和损坏。

　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的研究人员通过实验证明了一种新的传输能量的方法，即使它是通过有缺陷的波导，即使这种紊乱只是一种短暂的时间现象。这项工作可能导致更强大的设备继续运行，尽管损坏。

　　机械科学与工程副教授Gaurav Bahl和物理学教授Taylor Hughes在《自然通讯》上发表了他们的发现。这项重要的工作是由机械科学和工程博士后Inbar Grinberg领导的。

　　他们的文章“磁机械拓扑绝缘体中的鲁棒时间泵送”详细展示了拓扑泵的演示，该系统在周期性驱动时产生按需的、鲁棒的机械能传输。研究人员使用一维磁机械人造材料制造了这种拓扑泵，该材料由弹簧、质量和磁铁组成。

　　泵的灵感来自于诺贝尔奖得主物理学家大卫·索利斯1983年的工作，他在工作中提出了一个方案，通过周期性势(如原子链)实现单个粒子(如电子)的量子化输运。其基本原理是对链的结构进行逐渐的、周期性的调制，使其成为时间的函数。在泵送循环的每一个周期结束时，必须有一个粒子从链的一端进入，同时也有一个粒子从链的另一端退出。即使原子链有一定程度的无序，这种情况也会发生。

　　这种类型的系统被称为水泵，因为它的技术描述让人联想到阿基米德螺杆，一种手动曲柄水泵，历史上可以追溯到古埃及。

　　Grainger的研究人员采用了Thouless的想法，并将其应用到机械拓扑泵中。一个显著的区别是，他们的泵输送机械能，而不是粒子或水，在泵送周期的一个周期内整个链条。此外，即使链条在空间或时间上有大量的紊乱，泵也能成功地运行。为了完成对水螺杆泵的类比，研究人员用旋转曲轴为他们的演示提供动力。

　　Bahl解释说:“最终，我们希望将这一演示扩展到生产类似的弹性波导，用于光、声和电。”“我们的梦想是把一个信号放在一维信道的一端，并保证在用户需要的时候以稳健的方式传输到另一端。我们相信拓扑泵是实现这一目标的好方法。”

　　光纤和铜线构成了我们所有通信技术的支柱。目前，沿这类通信通道的中度损坏——例如，除了完全断开以外的任何损坏——都可能降低信号强度，甚至产生不良的反射，从而对这些通道可以携带的数据量产生不利影响。

　　研究团队认为，在这些情况下，拓扑泵送可能是一个很好的解决方案。

　　DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 14804 - 0