電路設計上的突破使電子產品更能抵抗損傷和缺陷

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】人們越來越依賴手機、平板電腦和其他攜帶型設備，幫助他們在日常生活中導航。但是這些小玩意容易出現故障，通常是由於它們複雜的電子產品的小缺陷導致的，這可能是經常使用的結果。現在《自然電子》雜誌的一篇論文詳細介紹了紐約城市大學(City University of New York)研究生中心(Advanced Science Research Center, ASRC)的研究人員的一項創新，該研究為影響信號傳輸的電路損傷提供了強有力的保護。這一突破是在阿斯克的光子學項目主任安德里亞·阿魯的實驗室中取得的。Alu和他的同事們從紐約城市大學，德克薩斯大學奧斯汀分校和特拉維夫大學的開創性工作的啟發,三名英國研究人員獲得了2016年諾貝爾物理學獎，特定屬性的物質(如導電性)可以保留在某些材料儘管連續問題的形式或形狀的變化。

研究人員使用非線性諧振器來模擬一個電路陣列，其功能被證明具有天生的魯棒性，可以防止通常中斷信號傳輸的缺陷。圖片版權：Advanced Science Research Center, GC/CUNY

這一概念與拓撲有關——這是一個研究在連續變形下保存的空間性質的數學分支。在過去的幾年裡，從物質科學到光傳播，都有強烈的興趣將物質拓撲的概念轉化為物質。在這個項目中實現了兩個目標：首先可以利用拓撲的科學來促進電子和電路元件的強大的電磁波的傳播。第二證明了與這些拓撲現象相關的固有的魯棒性可以由電路中的信號進行自我誘導，並且我們可以通過在電路陣列中適當的定製非線性來達到這種魯棒性。為了實現他們的目標，研究小組使用了非線性諧振器來模擬電路陣列的帶圖。該陣列的設計是為了使信號強度的變化可以引起波段圖的拓撲結構的改變。對於低信號強度，電子電路被設計用來支持一個小的拓撲結構，因此不提供任何保護。在這種情況下，由於缺陷被引入到陣列中，信號的傳輸和電路的功能受到了負面的影響。

然而當電壓超過一個特定的閾值時，該帶圖的拓撲結構被自動修正，並且信號傳輸不受電路陣列中引入的任意缺陷的阻礙。這直接證明了電路拓撲結構的轉變，轉化為自我誘導的對缺陷和無序的魯棒性。紐約城市學院教授、該研究的作者之一a·Khanikaev說：一旦應用了更高的電壓信號，系統就會重新配置，從而引發一種拓撲結構，這種拓撲會在整個諧振器鏈上傳播，從而使信號能夠在不存在任何問題的情況下傳輸，因為這個系統是非線性的，它能夠經歷一個不尋常的轉變，即使在電路有缺陷或損壞的情況下，信號傳輸也很強勁。Alu集團的首席作者、前博士後雅克·哈達(Yakir Hadad)說：這些想法為固有的健壯的電子產品打開了令人興奮的機會，展示了數學中複雜的概念，比如拓撲結構，可以對普通電子設備產生真實的影響，類似的思想可以應用於非線性光學電路，並擴展到兩個和三維的非線性超材料。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Electronics

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：CUNY高級科學研究中心

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！