Gennembrud i kredsløbsdesign gør elektronik mere modstandsdygtig over for skader og defekter

Folk bliver stadig mere afhængige af deres mobiltelefoner, tablets og andre bærbare enheder, der hjælper dem med at navigere i dagligdagen. Men disse gadgets er tilbøjelige til at mislykkes, ofte forårsaget af små defekter i deres komplekse elektronik, som kan skyldes regelmæssig brug. Nu, et papir i dag Naturelektronik beskriver en nyskabelse fra forskere ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved The Graduate Center ved The City University of New York, der giver robust beskyttelse mod kredsløbsskader, der påvirker signaloverførsel.

Gennembruddet blev skabt i laboratoriet hos Andrea Alù, direktør for ASRC's Photonics Initiative. Alù og hans kolleger fra The City College of New York, University of Texas i Austin og Tel Aviv University blev inspireret af det mest betydningsfulde arbejde fra tre britiske forskere, der vandt Nobelprisen i fysik i 2016 for deres arbejde, som drillede med, at særlige egenskaber ved stof (såsom elektrisk ledningsevne) kan bevares i visse materialer på trods af kontinuerlige ændringer i stoffets form eller form. Dette koncept er forbundet med topologi - en gren af ​​matematik, der studerer rummets egenskaber, der bevares under kontinuerlige deformationer.

"I de sidste par år har der været en stærk interesse i at oversætte dette begreb om materietopologi fra materialevidenskab til let udbredelse, "sagde Alù." Vi nåede to mål med dette projekt:For det første vi viste, at vi kan bruge videnskaben om topologi til at lette robust elektromagnetisk bølgeudbredelse i elektronik og kredsløbskomponenter. Sekund, vi viste, at den iboende robusthed forbundet med disse topologiske fænomener kan være selvinduceret af signalet, der bevæger sig i kredsløbet, og at vi kan opnå denne robusthed ved hjælp af passende skræddersyede ikke -lineariteter i kredsløbssystemer. "

For at nå deres mål, holdet brugte ikke-lineære resonatorer til at forme et bånddiagram over kredsløbssamlingen. Arrayet var designet således, at en ændring i signalintensitet kunne forårsage en ændring i bånddiagrammets topologi. Ved lave signalintensiteter, det elektroniske kredsløb var designet til at understøtte en triviel topologi, og giver derfor ingen beskyttelse mod fejl. I dette tilfælde, efterhånden som defekter blev indført i arrayet, signaloverførslen og kredsløbets funktionalitet blev påvirket negativt.

Da spændingen blev øget ud over en bestemt tærskel, imidlertid, bånddiagrammets topologi blev automatisk ændret, og signaloverførslen blev ikke forhindret af vilkårlige defekter indført på tværs af kredsløbsarrayet. Dette gav direkte bevis på en topologisk overgang i kredsløbet, der omsatte til en selvinduceret robusthed mod defekter og lidelse.

"Så snart vi anvender signalet med højere spænding, systemet omkonfigurerede sig selv, fremkalder en topologi, der spredte sig over hele kæden af ​​resonatorer, der tillod signalet at transmittere uden problemer, "sagde A. Khanikaev, professor ved The City College i New York og medforfatter i undersøgelsen. "Fordi systemet er ikke -lineært, det er i stand til at gennemgå en usædvanlig overgang, der gør signaloverførsel robust, selv når der er defekter eller skader på kredsløbet. "

"Disse ideer åbner spændende muligheder for iboende robust elektronik og viser, hvor komplekse begreber inden for matematik, som topologi, kan have virkning i virkeligheden på almindelige elektroniske enheder, "sagde Yakir Hadad, hovedforfatter og tidligere postdoc i Alùs gruppe, i øjeblikket professor ved Tel-Aviv University, Israel. "Lignende ideer kan anvendes på ikke-lineære optiske kredsløb og udvides til to og tredimensionelle ikke-lineære metamaterialer."