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Neuartiges Schaltungsdesign könnte Elektronik widerstandsfähiger machen

| Redakteur: Julia Schmidt

Forscher des Advanced Science Research Center (ASRC) in New York haben im Fachmagazin Nature Electronics eine Innovation vorgestellt, die einen Schutz gegen Beschädigungen von Schaltkreisen bietet, die die Signalübertragung beeinträchtigen können.

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Die Forscher des ASCR in New York nutzten nichtlineare Resonatoren für ihre Versuchsschaltung. Wurde die angelegte Spannung über einen bestimmten Schwellenwert hinaus erhöht, passte sich die Topologie des Banddiagramms automatisch an.
Die Forscher des ASCR in New York nutzten nichtlineare Resonatoren für ihre Versuchsschaltung. Wurde die angelegte Spannung über einen bestimmten Schwellenwert hinaus erhöht, passte sich die Topologie des Banddiagramms automatisch an.
(Bild: Advanced Science Research Center, GC/CUNY)

Die Menschheit wird zunehmend abhängig von Mobiltelefonen, Tabletts und anderen tragbaren Geräten, die ihnen helfen, sich im täglichen Leben zurechtzufinden. Aber diese Geräte sind anfällig für Ausfälle, oft verursacht durch kleine Defekte in ihrer komplexen Elektronik, die bei regelmäßiger Anwendung auftreten können.

Die Wissenschaftler des ASRC am Graduate Center der City University of New York und Kollegen der University of Texas in Austin und der Tel Aviv University ließen sich von der bahnbrechenden Arbeit dreier britischer Forscher inspirieren, die für ihre Forschungen zu topologischen Phasenübergängen und topologischen Phasen der Materie 2016 den Nobelpreis für Physik gewonnen haben. Die Briten fanden heraus, dass bestimmte Eigenschaften der Materie (wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit) in bestimmten Materialien in den verschiedenen Phasen erhalten bleiben können.

Die Stabilität kann vom Signal in der Schaltung selbst induziert werden

„In den letzten Jahren gab es großes Interesse daran, ob sich dieses Konzept der Materientopologie der Materialwissenschaft auch auf die Lichtausbreitung übertragen lässt“, sagt Andrea Alù, Direktor der Photonics Initiative des ASRC. „Mit unserem Projekt haben wir zweierlei erreicht: Erstens haben wir gezeigt, dass wir mit Hilfe der Topologiewissenschaft eine stabile Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Elektronik und Schaltungskomponenten ermöglichen können. Zweitens haben wir gezeigt, dass die mit diesen topologischen Phänomenen verbundene inhärente Stabilität durch das Signal, das sich in der Schaltung bewegt, selbst induziert werden kann und dass wir diese Stabilität durch entsprechend angepasste Nichtlinearitäten in Schaltungsarrays erreichen können.“

Das Team nutzte nichtlineare Resonatoren, um ein Banddiagramm des Schaltungsarrays zu formen. Das Array wurde so angelegt, dass eine Änderung der Signalintensität zu einer Änderung der Topologie des Banddiagramms führen kann. Dabei wurde die Schaltung so konzipiert, dass sie bei einer niedrigen Signalintensität eine triviale Topologie unterstützt und sie somit keinen Schutz vor Defekten bietet. Sobald Defekte in das Array eingebracht werden, wird die Signalübertragung und die Funktionalität der Schaltung daher negativ beeinflusst.

Wurde die angelegte Spannung jedoch über einen bestimmten Schwellenwert hinaus erhöht, passte sich die Topologie des Banddiagramms automatisch an, und die Signalübertragung wurde nicht durch willkürliche Defekte behindert, die über das Schaltkreisfeld eingeführt wurden. Dies lieferte den direkten Beweis für einen topologischen Übergang in der Schaltung, der zu einer selbstinduzierten Stabilität gegen Defekte und Störungen führt.

Hier werden komplexe mathematische Konzepte auf reale Schaltungen übertragen

„Sobald wir das Hochspannungssignal angelegt haben, hat sich das System selbst rekonfiguriert und eine Topologie induziert, die sich über die gesamte Kette von Resonatoren ausbreitet, so dass das Signal problemlos übertragen werden kann“, sagte A. Chanikaev, Professor am City College of New York und Mitautor der Studie. „Da das System nichtlinear ist, ist es in der Lage, eine ungewöhnliche Transition zu durchlaufen, die die Stabilität der Signalübertragung gewährleistet, selbst wenn es Defekte oder Schäden an der Schaltung gibt.“

Yakir Hadad, Professor an der Tel-Aviv University und ein weiterer Mitautor, ist überzeugt: „Diese Ideen eröffnen spannende Möglichkeiten für eine inhärent robuste Elektronik und zeigen, wie sich komplexe mathematische Konzepte, wie die der Topologie, auf tatsächliche Schaltungen übertragen lassen und so Auswirkungen auf gängige elektronische Geräte haben können. Ähnliche Ideen lassen sich auch auf nichtlineare optische Schaltungen übertragen und auf zwei- und dreidimensionale nichtlineare Metamaterialien ausdehnen.“ Die Forschungsergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Electronics unter dem Titel Self-induced topological protection in nonlinear circuit arrays veröffentlicht.

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