Människor blir alltmer beroende av sina mobiltelefoner, surfplattor och andra bärbara enheter som hjälper dem att navigera i vardagen. Men dessa prylar är benägna att misslyckas, orsakas ofta av små defekter i deras komplexa elektronik, som kan uppstå vid regelbunden användning. Nu, en tidning i dagens Naturelektronik beskriver en innovation från forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center vid City University of New York som ger robust skydd mot kretsskador som påverkar signalöverföringen.

Genombrottet gjordes i labbet av Andrea Alù, chef för ASRC:s Photonics Initiative. Alù och hans kollegor från The City College of New York, University of Texas i Austin och Tel Aviv University inspirerades av tre brittiska forskare som vann Noble Prize in Physics 2016 för sitt arbete, som retade ut att speciella egenskaper hos materia (som elektrisk ledningsförmåga) kan bevaras i vissa material trots kontinuerliga förändringar i materiens form eller form. Detta koncept är förknippat med topologi - en gren av matematiken som studerar rymdens egenskaper som bevaras under kontinuerliga deformationer.

"Under de senaste åren har det funnits ett starkt intresse för att översätta detta koncept av materietopologi från materialvetenskap till ljusutbredning, " sa Alù. "Vi uppnådde två mål med det här projektet:För det första, vi visade att vi kan använda vetenskapen om topologi för att underlätta robust utbredning av elektromagnetiska vågor i elektronik och kretskomponenter. Andra, vi visade att den inneboende robustheten associerad med dessa topologiska fenomen kan självinduceras av signalen som färdas i kretsen, och att vi kan uppnå denna robusthet genom att använda lämpligt skräddarsydda olinjäriteter i kretsarrayer."

För att uppnå sina mål, teamet använde olinjära resonatorer för att forma ett banddiagram av kretsarrayen. Arrayen utformades så att en förändring i signalintensitet kunde inducera en förändring i banddiagrammets topologi. För låg signalintensitet, den elektroniska kretsen designades för att stödja en trivial topologi, och ger därför inget skydd mot defekter. I detta fall, när defekter infördes i arrayen, signalöverföringen och kretsens funktionalitet påverkades negativt.

När spänningen höjdes över en specifik tröskel, dock, banddiagrammets topologi modifierades automatiskt, och signalöverföringen hindrades inte av godtyckliga defekter som infördes över kretsuppsättningen. Detta gav direkta bevis på en topologisk övergång i kretsen som översattes till en självinducerad robusthet mot defekter och störningar.

"Så snart vi applicerade signalen med högre spänning, systemet konfigurerade om sig självt, inducera en topologi som fortplantade sig över hela kedjan av resonatorer, vilket gör att signalen kan sändas utan problem, sade A. Khanikaev, professor vid The City College of New York och medförfattare i studien. "Eftersom systemet är olinjärt, den kan genomgå en ovanlig övergång som gör signalöverföringen robust även när det finns defekter eller skador på kretsen."

"Dessa idéer öppnar upp spännande möjligheter för i sig robust elektronik och visar hur komplexa begrepp inom matematik, som topologins, kan ha verkliga effekter på vanliga elektroniska enheter, sa Yakir Hadad, huvudförfattare och tidigare postdoc i Alùs grupp, för närvarande professor vid Tel-Aviv University, Israel. "Liknande idéer kan tillämpas på olinjära optiska kretsar och utökas till två- och tredimensionella olinjära metamaterial."