Ученые делают электронику более устойчивой к повреждениям и дефектам

Люди все больше зависят от своих мобильных телефонов, планшетов и других портативных устройств, которые помогают им ориентироваться в повседневной жизни. Но эти устройства иногда склонны к сбою, что часто вызвано небольшими дефектами в их сложной электронике, что может быть результатом регулярного использования. В издании Nature Electronics опубликована информация об инновациях исследователей из Центра перспективных научных исследований (ASRC) в университете в Нью-Йорке, которая обеспечивает надежную защиту от повреждения схемы, которое влияет на передачу сигнала.

Исследователи были вдохновлены работой трех британских ученых, которые выиграли Нобелевскую премию по физике за 2016 год за свою работу, которая выявила, что свойства материи (например, электропроводность) может сохраняться в некоторых материалах, несмотря на постоянные изменения формы вещества. Эта концепция связана с топологией — отраслью математики, изучающей свойства пространства, которые сохраняются при непрерывных деформациях.

«За последние несколько лет был большой интерес к переводу этой концепции топологии материи от материальной науки к распространению света», — сказал Андреа Алу, возглавляющий проект. «Мы достигли двух целей в этом проекте: во-первых, мы показали, что мы можем использовать раздел математики — топологию, для обеспечения надежного распространения электромагнитных волн в электронике и компонентах цепи. Во-вторых, мы показали, что присущая устойчивость, связанная с этими топологическими явлениями, может быть индуцирована сигналом, движущимся в цепи, и что мы можем достичь этой надежности с помощью подходящих адаптированных нелинейностей в схемных массивах».

Для достижения своих целей команда использовала нелинейные резонаторы для формирования зонной диаграммы схемы. Массив был спроектирован так, чтобы изменение интенсивности сигнала могло вызвать изменение топологии зонной диаграммы. Для низких интенсивностей сигнала электронная схема была разработана для поддержки тривиальной топологии и, следовательно, не защищает от дефектов. В этом случае, когда дефекты были введены в массив, на передачу сигнала и на функциональность схемы они сказались отрицательно.

Однако, когда напряжение было увеличено за пределами определенного порога, топология полосы частот была автоматически изменена, и передача сигнала не была затруднена из-за произвольных дефектов, введенных через массив схем. Это дало прямое подтверждение топологического перехода в схеме, которая была переведена на самоиндуцированную устойчивость к дефектам и беспорядку.

«Как только мы применили сигнал более высокого напряжения, система переконфигурировала себя, вызвав топологию, распространяющуюся по всей цепочке резонаторов, позволяющую передавать сигнал без каких-либо проблем», — сказал Александр Ханикаев, профессор Городского колледжа Нью-Йорка и соавтор исследования. «Поскольку система нелинейна, она может подвергнуться необычному переходу, который обеспечивает надежную передачу сигнала, даже если есть дефекты или повреждение схемы».

«Эти идеи открывают захватывающие возможности для неотъемлемо прочной электроники и показывают, как сложные концепции математики, такие как топология, могут оказывать реальное воздействие на общие электронные устройства», — сказал Якир Хадад, ведущий автор исследования в настоящее время является профессором Тель-Авивского университета в Израиле. «Подобные идеи могут быть применены к нелинейным оптическим схемам и расширены для двух и трехмерных нелинейных метаматериалов».

Больше информации: Yakir Hadad et al, Self-induced topological protection in nonlinear circuit arrays, Nature Electronics (2018). DOI: 10.1038/s41928-018-0042-z