När två ensamma möts, de byter typ, efter ett kvartärt system bestående av endast fyra siffror:-1, 0, 1 och 2. I detta fall möts en -1 soliton med en 2 soliton för att bilda en 1 soliton. Kredit:IBS
Oundvikligt, varje digital information vi skickar runt om i världen är benägen att gå förlorad. Reser långa vägar i trådar, den initiala signalen avtar och sprids genom att kollidera med föroreningar och närliggande elektromagnetiska fält. Därför, bortom varje bit av ditt önskade meddelande, det är nödvändigt att skicka andra dolda bitar av information som kontrollerar för misstag och vidtar åtgärder vid förluster; medan enheterna blir mindre och mindre, denna fråga blir mer betydande. Forskare vid Center for Artificial Low Dimensional Electronic (CALDES), inom Institutet för basvetenskap (IBS) strävar efter att hitta innovativa sätt att uppnå en mer stabil överföring av information. Ett av deras forskningsintressen fokuserar på självförstärkande ensamma vågpaket som kallas solitoner, som är stabila oavsett omgivning. I sin senaste artikel visade de att solitoner kan manipuleras och beskrev hur man använder dem för logiska operationer. Deras experiment och modeller publiceras i Naturfysik och banar väg för ett nytt elektronikområde:Solitonics.
Fysiker vet att en möjlig lösning på frågan om signaldämpning eller brus på grund av externa störningar kan komma från ett matematiskt koncept som kallas topologi. Det är relaterat till egenskaper som inte påverkas av en formförändring. Till exempel, tro det eller ej, en boll och en penna är topologiskt samma sak, men skiljer sig från en munk. Det här är för att, med lite fantasi, du kan forma bollen till pennans form. Dock, när du gör ett hål i bollen, det blir ett helt annat topologiskt objekt. Hål definierar det topologiska tillståndet, de kan röra sig i materialet, men deras antal ändras inte ens under närvaron av tryck- och dragkrafter. Ett liknande koncept skulle kunna användas inom IT för att skydda informationsflödet från externa störningar och föroreningar och garantera dess stabilitet över längre avstånd och tid. Det låter som en fantastisk egendom men, paradoxalt, det är också sin egen största fiende:den överförda informationen är för stabil, på ett sätt som faktiskt är för svårt att modifiera och använda. Det verkade vara det sorgliga slutet på historien, tills IBS-forskare visade ett sätt att manipulera den överförda signalen och eventuellt tillämpa den på modern elektronik.
En av nyckelkomponenterna i det topologiska systemets fysik är soliton, ett extremt stabilt ensamt vågpaket av energi, som färdas genom vissa 1D-material utan att förlora sin form och energi, lite som en tsunamivåg. Forskare började studera topologiska solitoner på 80-talet, men avskräcktes av det till synes omöjliga att manipulera dem.
Förra året, IBS-forskare undersökte egenskaperna hos solitoner på en dubbelkedja av indiumatomer placerade på toppen av en kiselyta och de fann att solitoner kunde existera i tre former. "I topologisk mening, det är som att ha en munk med många hål, där varje hål kan ha tre olika former som motsvarar de tre typerna av solitoner, " förklarar YEOM Han Woong, den ledande författaren till denna studie. "Fysiker brukade arbeta med solitoner (hål) av samma typ och operationerna du kunde göra med dem var begränsade, men nu har vi en större chans att spela med dem."
Medan den binära koden som används i våra nuvarande datorer är gjord av 0:or och 1:or. Ett kvartärt system, som den som föreslagits av IBS-forskare, består av fyra siffror (0, 1, 2 och -1) och skulle tillåta fler operationer. Forskarna modellerade solitonsberoende. Till exempel, en soliton representerad av siffran 2, och ytterligare en representerad av siffran 1 kan läggas till för att bilda en ny soliton (n. -1). Verkligen, i detta 4-bassystem, 2+1 ger -1, och det är lätt att förstå varför om du föreställer dig ett litet och cirkulärt "gåsspel" där du rör dig medurs (eller moturs) beroende på vilket nummer du får genom att slå en fyrsidig tärning som innehåller siffrorna 0, 1, 2 och -1. Om du är i rutan n. 2 och du får n. 1 på tärningen, du kommer att nå torget -1. Kredit:IBS
I denna nya studie, Yeom och hans team bevisade, experimentellt, att det är möjligt att byta mellan dessa solitoner. De observerade att när två solitoner möts, de resulterar i en annan ensamhet, med andra ord fann de att solitoner kan förvandlas, och ändå förbli immun mot mediets defekter. "Hittills kunde solitoner bara skapas eller förstöras i par, inga andra manipulationer var möjliga, men vi visade att dessa solitoner kan bytas från en till en annan, och även används för logiska operationer", fortsätter Yeom.
Dessa tre typer av solitoner kan också representeras av siffror (1, -1 och 2) och villkoret utan solitoner som noll (0), skapa ett kvartärt matematiskt system. De fyra siffrorna kan sedan användas för matematiska beräkningar.
Kvartärsiffriga system, och flersiffriga system i allmänhet, har flera fördelar jämfört med den binära (0, 1) systemet som vi använder för närvarande. De tillåter fler operationer och informationslagring på mindre utrymme och de kan föra oss ett steg närmare hjärnliknande enheter, som efterliknar hur information beräknas och lagras av våra neuronala kretsar.
Öppnar ett nytt elektronikområde, dubbad solitonics, IBS-forskare föreställer sig nya generationens IT-enheter som kombinerar kisel och solitoner. "Vi använder solitoner som färdas i indiumatomer på en kiselyta, och vi föreställer oss att denna struktur som skulle kunna implementeras i nuvarande kiselenheter, skapa hybridsystem, " förklarar KIM Tae-Hwan, första författare till denna studie.
