Quando due solitoni si incontrano, cambiano tipo, seguendo un sistema quaternario composto da soli quattro numeri:-1, 0, 1 e 2. In questo caso un solitone -1 si incontra con un solitone 2 per formare un solitone 1. Credito:IBS
Inevitabilmente, ogni informazione digitale che inviamo in tutto il mondo rischia di andare persa. Viaggiando per lunghe strade nei fili, il segnale iniziale decade e si disperde per collisione con impurità e campi elettromagnetici vicini. Perciò, oltre ogni bit del tuo messaggio desiderato, è necessario inviare altre informazioni nascoste che controllano gli errori e intervengono in caso di perdite; mentre i dispositivi diventano sempre più piccoli, questo problema diventa più significativo. Scienziati del Center for Artificial Low Dimensional Electronic (CALDES), all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS) mirano a trovare modi innovativi per ottenere una trasmissione più stabile delle informazioni. Uno dei loro interessi di ricerca si concentra sui pacchetti di onde solitarie auto-rinforzanti chiamati solitoni, che sono stabili indipendentemente dall'ambiente circostante. Nel loro articolo più recente hanno dimostrato che i solitoni possono essere manipolati e hanno descritto come usarli per operazioni logiche. I loro esperimenti e modelli sono pubblicati in Fisica della natura e aprire la strada a un nuovo campo dell'elettronica:la Solitonics.
I fisici sanno che una possibile soluzione al problema dell'attenuazione del segnale o del rumore a causa di interferenze esterne può venire da un concetto matematico chiamato topologia. È correlato a proprietà che non sono influenzate da un cambiamento di forma. Per esempio, credici o no, una pallina e una matita sono topologicamente uguali, ma diverso da una ciambella. Questo è perché, con un po' di fantasia, puoi modellare la palla nella forma della matita. Però, quando fai un buco nella palla, diventa un oggetto topologico totalmente diverso. I fori definiscono lo stato topologico, possono muoversi all'interno del materiale, ma il loro numero non cambia nemmeno in presenza di forze di spinta e trazione. Un concetto simile potrebbe essere utilizzato in ambito IT per proteggere il flusso di informazioni da interferenze e impurità esterne e garantirne la stabilità su distanze e tempi più lunghi. Sembra una proprietà straordinaria ma, paradossalmente, è anche il suo più grande nemico:le informazioni trasmesse sono troppo stabili, in un modo che è effettivamente troppo difficile da modificare e utilizzare. Quella sembrava essere la triste fine della storia, fino a quando gli scienziati dell'IBS hanno dimostrato un modo per manipolare il segnale trasmesso e possibilmente applicarlo all'elettronica moderna.
Uno dei componenti chiave della fisica del sistema topologico è il solitone, un pacchetto di onde solitarie estremamente stabili di energia, che viaggia attraverso alcuni materiali 1D senza perdere forma ed energia, un po' come un'onda di tsunami. Gli scienziati hanno iniziato a studiare i solitoni topologici negli anni '80, ma erano scoraggiati dall'apparente impossibilità di manipolarli.
L'anno scorso, Gli scienziati dell'IBS hanno esplorato le proprietà dei solitoni su una doppia catena di atomi di indio posti sopra una superficie di silicio e hanno scoperto che i solitoni possono esistere in tre forme. "In senso topologico, è come avere una ciambella con tanti buchi, dove ogni foro può essere di tre forme diverse corrispondenti ai tre tipi di solitoni, " spiega YEOM Han Woong, l'autore principale di questo studio. "I fisici lavoravano con solitoni (buchi) dello stesso tipo e le operazioni che si potevano fare con loro erano limitate, ma ora abbiamo più possibilità di giocare con loro".
Mentre il codice binario utilizzato nei nostri computer attuali è composto da 0 e 1. Un sistema quaternario, come quello proposto dagli scienziati dell'IBS, è composto da quattro cifre (0, 1, 2 e -1) e consentirebbe più operazioni. I ricercatori hanno modellato la dipendenza dai solitoni. Per esempio, un solitone rappresentato dal numero 2, e un altro rappresentato dal numero 1 può essere aggiunto per formare un nuovo solitone (n. -1). Infatti, in questo sistema a 4 basi, 2+1 fa -1, ed è facile capire perché se immagini un piccolo e circolare "gioco dell'oca" dove ti muovi in senso orario (o antiorario) a seconda del numero che ottieni tirando un dado a quattro facce contenente i numeri 0, 1, 2 e -1. Se sei nella casella n. 2 e ottieni n. 1 sui dadi, stai per raggiungere il quadrato -1. Credito:IBS
In questo nuovo studio, Yeom e il suo team hanno dimostrato, sperimentalmente, che il passaggio tra questi solitoni è possibile. Hanno osservato che quando due solitoni si incontrano, risultano in un solitone diverso, in altre parole hanno scoperto che i solitoni possono essere trasformati, e tuttavia rimangono immuni ai difetti del mezzo. "Finora i solitoni potevano essere creati o distrutti solo in coppia, non erano possibili altre manipolazioni, ma abbiamo mostrato che questi solitoni possono essere commutati da uno all'altro, e anche usato per operazioni logiche", continua Yeom.
Questi tre tipi di solitoni possono essere rappresentati anche da cifre (1, -1 e 2) e la condizione senza solitoni come zero (0), creazione di un sistema matematico quaternario. Le quattro cifre possono quindi essere utilizzate per calcoli matematici.
sistemi di cifre quaternarie, e sistemi multicifre in genere, hanno diversi vantaggi rispetto al binario (0, 1) sistema che stiamo attualmente utilizzando. Consentono più operazioni e archiviazione di informazioni in meno spazio e potrebbero avvicinarci di più a dispositivi simili al cervello, che imitano il modo in cui le informazioni vengono calcolate e memorizzate dai nostri circuiti neuronali.
L'apertura di un nuovo campo dell'elettronica, soprannominata solitonica, Gli scienziati di IBS immaginano dispositivi IT di nuova generazione che combinano silicio e solitoni. "Stiamo usando solitoni che viaggiano in atomi di indio su una superficie di silicio, e immaginiamo che questa struttura che potrebbe essere implementata negli attuali dispositivi al silicio, creazione di sistemi ibridi, " spiega KIM Tae-Hwan, primo autore di questo studio.
