Mensen worden steeds afhankelijker van hun mobiele telefoon, tablets en andere draagbare apparaten waarmee ze door het dagelijkse leven kunnen navigeren. Maar deze gadgets zijn gevoelig voor storingen, vaak veroorzaakt door kleine defecten in hun complexe elektronica, die het gevolg kunnen zijn van regelmatig gebruik. Nutsvoorzieningen, een krant van vandaag Natuur Elektronica beschrijft een innovatie van onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van het Graduate Center van de City University of New York die robuuste bescherming biedt tegen circuitschade die de signaaloverdracht beïnvloedt.

De doorbraak vond plaats in het lab van Andrea Alù, directeur van het ASRC Photonics Initiative. Alù en zijn collega's van The City College of New York, University of Texas in Austin en Tel Aviv University werden geïnspireerd door het baanbrekende werk van drie Britse onderzoekers die in 2016 de Noble Prize in Physics wonnen voor hun werk, die plaagde dat bepaalde eigenschappen van materie (zoals elektrische geleidbaarheid) in bepaalde materialen behouden kunnen blijven ondanks voortdurende veranderingen in de vorm of vorm van de materie. Dit concept wordt geassocieerd met topologie - een tak van de wiskunde die de eigenschappen van de ruimte bestudeert die behouden blijven onder continue vervormingen.

"In de afgelopen jaren is er een sterke interesse geweest in het vertalen van dit concept van materietopologie van materiaalwetenschap naar lichtvoortplanting, " zei Alù. "We hebben met dit project twee doelen bereikt:ten eerste, we hebben laten zien dat we de wetenschap van topologie kunnen gebruiken om robuuste voortplanting van elektromagnetische golven in elektronica en circuitcomponenten te vergemakkelijken. Tweede, we hebben aangetoond dat de inherente robuustheid geassocieerd met deze topologische verschijnselen zelf kan worden veroorzaakt door het signaal dat in het circuit reist, en dat we deze robuustheid kunnen bereiken met behulp van op maat gemaakte niet-lineariteiten in circuitarrays."

Om hun doelen te bereiken, het team gebruikte niet-lineaire resonatoren om een ​​banddiagram van de circuitarray te vormen. De array is zo ontworpen dat een verandering in signaalintensiteit een verandering in de topologie van het banddiagram kan veroorzaken. Voor lage signaalintensiteiten, het elektronische circuit is ontworpen om een ​​triviale topologie te ondersteunen, en bieden daarom geen bescherming tegen defecten. In dit geval, toen defecten in de array werden geïntroduceerd, de signaaloverdracht en de functionaliteit van de schakeling werden negatief beïnvloed.

Naarmate de spanning boven een bepaalde drempel werd verhoogd, echter, de topologie van het banddiagram werd automatisch aangepast, en de signaaloverdracht werd niet belemmerd door willekeurige defecten die over de circuitreeks werden geïntroduceerd. Dit leverde direct bewijs van een topologische overgang in het circuit die zich vertaalde in een zelf-geïnduceerde robuustheid tegen defecten en wanorde.

"Zodra we het signaal met een hogere spanning toepasten, het systeem heeft zichzelf opnieuw geconfigureerd, het induceren van een topologie die zich over de hele keten van resonatoren verspreidde, waardoor het signaal zonder enig probleem kon worden verzonden, " zei A. Khanikaev, professor aan The City College of New York en co-auteur van de studie. "Omdat het systeem niet-lineair is, het kan een ongebruikelijke overgang ondergaan die de signaaloverdracht robuust maakt, zelfs als er defecten of schade aan het circuit zijn."

"Deze ideeën bieden spannende mogelijkheden voor inherent robuuste elektronica en laten zien hoe complexe concepten in de wiskunde, zoals die van de topologie, kan een reële impact hebben op gewone elektronische apparaten, " zei Yakir Hadad, hoofdauteur en voormalig postdoc in de groep van Alù, momenteel een professor aan de Universiteit van Tel-Aviv, Israël. "Vergelijkbare ideeën kunnen worden toegepast op niet-lineaire optische circuits en worden uitgebreid tot twee- en driedimensionale niet-lineaire metamaterialen."