Le persone stanno diventando sempre più dipendenti dai loro telefoni cellulari, tablet e altri dispositivi portatili che li aiutano a navigare nella vita quotidiana. Ma questi gadget sono inclini al fallimento, spesso causati da piccoli difetti nella loro complessa elettronica, che può derivare da un uso regolare. Ora, un giornale di oggi Elettronica della natura descrive in dettaglio un'innovazione dei ricercatori dell'Advanced Science Research Center (ASRC) presso il Graduate Center della City University di New York che fornisce una solida protezione contro i danni ai circuiti che influiscono sulla trasmissione del segnale.

La svolta è avvenuta nel laboratorio di Andrea Alù, direttore della Photonics Initiative dell'ASRC. Alù e i suoi colleghi del City College di New York, L'Università del Texas ad Austin e l'Università di Tel Aviv sono state ispirate dal lavoro seminale di tre ricercatori britannici che hanno vinto il Premio Nobel 2016 per la fisica per il loro lavoro, che ha messo in evidenza che particolari proprietà della materia (come la conduttività elettrica) possono essere preservate in alcuni materiali nonostante i continui cambiamenti nella forma o nella forma della materia. Questo concetto è associato alla topologia, una branca della matematica che studia le proprietà dello spazio che vengono conservate sotto deformazioni continue.

"Negli ultimi anni c'è stato un forte interesse nel tradurre questo concetto di topologia della materia dalla scienza dei materiali alla propagazione della luce, " ha detto Alù. "Abbiamo raggiunto due obiettivi con questo progetto:Primo, abbiamo dimostrato che possiamo usare la scienza della topologia per facilitare una robusta propagazione delle onde elettromagnetiche nell'elettronica e nei componenti dei circuiti. Secondo, abbiamo dimostrato che la robustezza intrinseca associata a questi fenomeni topologici può essere autoindotta dal segnale che viaggia nel circuito, e che possiamo ottenere questa robustezza utilizzando non linearità opportunamente adattate negli array di circuiti".

Per raggiungere i propri obiettivi, il team ha utilizzato risonatori non lineari per modellare un diagramma a bande dell'array di circuiti. L'array è stato progettato in modo che un cambiamento nell'intensità del segnale possa indurre un cambiamento nella topologia del diagramma a bande. Per basse intensità di segnale, il circuito elettronico è stato progettato per supportare una banale topologia, e quindi non forniscono alcuna protezione dai difetti. In questo caso, quando i difetti sono stati introdotti nell'array, la trasmissione del segnale e la funzionalità del circuito sono state influenzate negativamente.

Poiché la tensione è stata aumentata oltre una soglia specifica, però, la topologia del diagramma a bande è stata modificata automaticamente, e la trasmissione del segnale non è stata ostacolata da difetti arbitrari introdotti attraverso la matrice di circuiti. Ciò ha fornito la prova diretta di una transizione topologica nei circuiti che si è tradotta in una robustezza autoindotta contro difetti e disordine.

"Non appena abbiamo applicato il segnale ad alta tensione, il sistema si è riconfigurato da solo, inducendo una topologia che si propagasse attraverso l'intera catena di risonatori permettendo al segnale di trasmettere senza alcun problema, " ha detto A. Khanikaev, professore al City College di New York e coautore dello studio. "Poiché il sistema non è lineare, è in grado di subire una transizione insolita che rende la trasmissione del segnale robusta anche quando ci sono difetti o danni ai circuiti."

"Queste idee aprono opportunità entusiasmanti per l'elettronica intrinsecamente robusta e mostrano come concetti complessi in matematica, come quello della topologia, può avere un impatto reale sui comuni dispositivi elettronici, " disse Yakir Hadad, autore principale ed ex postdoc nel gruppo di Alù, attualmente professore all'Università di Tel-Aviv, Israele. "Idee simili possono essere applicate a circuiti ottici non lineari ed estese a metamateriali non lineari bidimensionali e tridimensionali".