Inventato più di 15, 000 anni fa, I nodi rappresentano una delle prime scoperte tecnologiche agli albori della storia umana che hanno dato il via alla successiva ascesa della civiltà umana. Anche oggi, ci affidiamo ancora ai nodi della nostra vita quotidiana. nodi dei lacci delle scarpe, ad esempio, hanno svolto un ruolo fondamentale nel mantenere le scarpe ben salde ai nostri piedi per generazioni. Sebbene i nodi siano invenzioni antiche, il significato scientifico e matematico dei nodi è stato scoperto solo circa 200 anni fa.

Matematici famosi, come Carl Frederich Gauss e Peter Guthrie Tait, sviluppato le ricette generali per la costruzione di diversi nodi, e le regole matematiche che governano le classificazioni dei nodi secondo i loro comportamenti matematici. Oggi, la teoria dei nodi ha costituito uno dei pilastri centrali in molte aree, compresa l'informatica, biologia molecolare, ripiegamento delle proteine, Ingegneria del DNA, e scoperta di farmaci.

intrigante, le proprietà elettroniche di un particolare tipo di metalli, noti come semimetalli del nodo nodale, può anche esibire comportamenti complessi che imitano matematicamente i nodi. Questi nodi peculiari sono conosciuti come il nodo dello spazio del momento, che si verifica quando più bande elettroniche sono intrecciate e intrecciate insieme. In poche parole, il concetto di bande elettroniche fornisce un potente quadro fisico che è particolarmente utile per descrivere le proprietà elettroniche dei solidi. Lo spazio Momentum è il "paesaggio" che ospita tali band elettroniche.

Ad esempio, i solidi elettricamente isolati in genere hanno sacche di bande ben separate da vuoti vuoti:questi vuoti nello spazio del momento fungono da "zona di nessuno" che vieta il flusso di elettricità, rendendo così tale materiale una proprietà elettricamente isolante. D'altra parte, la relativamente grande abbondanza di bande elettroniche e l'assenza di vuoti nei metalli consentono all'elettricità di fluire attraverso di esso più facilmente rendendoli buoni conduttori.

Ciò che rende i semimetalli nodosi particolarmente insoliti rispetto ai metalli normali è che le bande elettroniche si intrecciano e si intrecciano per formare strutture annodate nello spazio del momento. Questo è matematicamente equivalente ai nodi che incontriamo nella vita di tutti i giorni.

Sebbene sia stata prevista l'esistenza di metalli del nodo nodale in diversi cristalli, sintetizzare questi cristalli esotici e sondare i sottili nodi spaziali del momento rimane un compito formidabile. Per rimediare a tali difficoltà, i fisici di Singapore e della Germania hanno ideato una nuova classe di sistemi elettrici di design nel 2018, che si basa interamente su un circuito elettrico. Tale circuito elettrico di design, circuiti soprannominati topoelettrici, può emulare il complesso comportamento fisico dei materiali solidi cristallini utilizzando componenti elettrici onnipresenti come resistori, condensatori, induttori e amplificatori operazionali. Sfruttando la loro enorme flessibilità di progettazione, circuiti topoelettrici sono stati ampiamente utilizzati per illustrare fenomeni fisici esotici negli ultimi anni.

Informare Comunicazioni sulla natura , fisici di Singapore (National University of Singapore e Singapore University of Technology and Design), La Germania (Università di Würzburg) e la Cina (Università Sun Yat-sen) hanno compiuto un passo avanti nella sintesi e nella misurazione dei nodi nodali spaziali del momento utilizzando circuiti topoelettrici.

"La comunità di ricerca ha fatto molta strada nella scoperta di fasi esotiche della materia. Più di un decennio fa, è stato sintetizzato il primo isolante topologico, segnando la prima volta che in un materiale reale sono stati rilevati fenomeni robusti topologicamente protetti. Oggi, non abbiamo solo progettato un sofisticato sistema topologico basato su strutture annodate, ma l'ho realizzato anche a basso costo, componenti elettrici onnipresenti" ha affermato il dott. Ching Hua Lee, Assistant Professor dell'Università Nazionale di Singapore, che ha guidato il gruppo di ricerca internazionale, e ha aperto la strada all'approccio dell'utilizzo di circuiti topoelettrici per studiare i fenomeni fisici fondamentali.

Un aspetto piuttosto insolito dei nodi spaziali del momento è l'esistenza di una firma elettrica fumante al confine del metallo del nodo nodale, comunemente noti come "stati della testa di tamburo". La misurazione degli stati delle pelli dei tamburi nei materiali solidi è tuttavia molto impegnativa, e in genere richiede strumenti all'avanguardia, come i raggi X di sincrotrone ad alta energia e gli ambienti in ultraalto vuoto. In contrasto, sondare gli stati del tamburo nei circuiti topoelettrici richiede solo semplici misurazioni elettriche che possono essere facilmente eseguite nella maggior parte dei laboratori.

"Gli effetti topologici richiedono valori molto precisi dei componenti induttore/condensatore. Per contrastare questa difficoltà, abbiamo utilizzato l'apprendimento automatico per trovare variazioni del design del circuito che mostravano gli stessi fenomeni topologici ma possono essere costruite utilizzando parti realizzate con meno precisione.", " disse Amanda Sustrino, un membro del team di ricerca della Singapore University of Technology and Design.

Aiutato da algoritmi di apprendimento automatico, il team ha progettato circuiti topoelettrici operanti in "punti deboli" particolarmente resistenti al rumore elettrico. Questo nuovo design consente di identificare senza ambiguità le elusive firme elettriche degli stati della pelle del tamburo.

"La capacità di controllare il circuito elettrico utilizzando la topologia può offrire una nuova strada verso l'elaborazione del segnale elettrico, telerilevamento, e l'elaborazione digitale delle informazioni utilizzando componenti economici ea bassa potenza. Questi aspetti potrebbero essere estremamente importanti per le tecnologie future come IoT e oltre le reti 5G, ", ha affermato l'assistente professore Yee Sin Ang della Singapore University of Technology and Design.