Inventé plus de 15, il y a 000 ans, Les nœuds représentent l'une des premières percées technologiques à l'aube de l'histoire humaine qui a donné le coup d'envoi à l'essor ultérieur de la civilisation humaine. Même aujourd'hui, nous comptons toujours sur des nœuds dans notre vie quotidienne. Nœuds de lacet, par exemple, ont joué un rôle essentiel dans le maintien des chaussures fermement sur nos pieds pendant des générations. Bien que les nœuds soient des inventions anciennes, la signification scientifique et mathématique des nœuds n'a été découverte qu'il y a environ 200 ans.

Mathématiciens célèbres, tels que Carl Frederich Gauss et Peter Guthrie Tait, développé les recettes générales pour la construction de différents nœuds, et les règles mathématiques qui régissent les classifications des nœuds en fonction de leurs comportements mathématiques. Aujourd'hui, la théorie des nœuds a constitué l'un des piliers centraux dans de nombreux domaines, dont l'informatique, biologie moléculaire, repliement des protéines, Ingénierie de l'ADN, et la découverte de médicaments.

Curieusement, les propriétés électroniques d'un type particulier de métaux, connu sous le nom de semi-métaux nodaux nodaux, peuvent également présenter des comportements complexes qui imitent mathématiquement les nœuds. Ces nœuds particuliers sont connus sous le nom de nœud spatial d'élan, qui survient lorsque plusieurs bandes électroniques sont entrelacées et enchevêtrées. Tout simplement, le concept de bandes électroniques fournit une image physique puissante qui est particulièrement utile pour décrire les propriétés électroniques des solides. L'espace Momentum est le «paysage» qui accueille de tels groupes électroniques.

Par exemple, les solides isolés électriquement ont généralement des poches de bandes qui sont bien séparées par des vides vides - ces vides vides dans l'espace d'impulsion servent de "zone interdite" qui interdit le flux d'électricité, rendant ainsi ce matériau une propriété électriquement isolante. D'autre part, l'abondance relativement importante de bandes électroniques et l'absence de vides dans les métaux permettent à l'électricité de circuler plus facilement, ce qui en fait de bons conducteurs.

Ce qui rend les semi-métaux à nœuds nodaux particulièrement inhabituels par rapport aux métaux normaux, c'est que les bandes électroniques s'entrelacent et s'entremêlent pour former des structures nouées dans l'espace de quantité de mouvement. C'est mathématiquement équivalent aux nœuds que nous rencontrons dans la vie de tous les jours.

Bien qu'il ait été prédit que les métaux des nœuds nodaux existent dans plusieurs cristaux, synthétiser ces cristaux exotiques et sonder les subtils nœuds spatiaux de l'élan reste une tâche formidable. Pour remédier à de telles difficultés, des physiciens de Singapour et d'Allemagne ont mis au point une nouvelle classe de système électrique de conception en 2018, qui est entièrement basé sur une carte de circuit électrique. Un tel circuit électrique de conception, circuits topoélectriques doublés, peut émuler le comportement physique complexe des matériaux solides cristallins en utilisant des composants électriques omniprésents tels que des résistances, condensateurs, inductances et amplificateurs opérationnels. Tirant parti de leur énorme flexibilité de conception, Ces dernières années, les circuits topoélectriques ont été largement utilisés pour illustrer des phénomènes physiques exotiques.

Rapports dans Communication Nature , des physiciens de Singapour (National University of Singapore et Singapore University of Technology and Design), L'Allemagne (Université de Würzburg) et la Chine (Sun Yat-sen University) ont réalisé une percée dans la synthèse et la mesure des nœuds nodaux spatiaux de quantité de mouvement à l'aide de circuits topoélectriques.

"La communauté des chercheurs a parcouru un long chemin dans la découverte de phases exotiques de la matière. Il y a plus d'une décennie, le premier isolant topologique a été synthétisé, marquant la première fois que des phénomènes robustes topologiquement protégés ont été détectés dans un matériau réel. Aujourd'hui, nous n'avons pas seulement conçu un système topologique sophistiqué basé sur des structures nouées, mais aussi réalisé avec low-cost, composants électriques omniprésents », a déclaré le Dr Ching Hua Lee, Professeur assistant de l'Université nationale de Singapour, qui a dirigé l'équipe de recherche internationale, et a été le pionnier de l'approche consistant à utiliser des circuits topoélectriques pour étudier les phénomènes de physique fondamentale.

Un aspect plutôt inhabituel des nœuds spatiaux d'élan est l'existence d'une signature électrique fumante à la frontière du métal du nœud nodal, communément appelés les « états de la peau de tambour ». La mesure des états de peau de tambour dans des matériaux solides est cependant très difficile, et nécessite généralement des instruments de pointe, tels que les rayons X synchrotron à haute énergie et les environnements à ultravide. En revanche, Sonder les états de la peau de tambour dans les circuits topoélectriques ne nécessite que des mesures électriques simples qui peuvent être facilement effectuées dans la plupart des laboratoires.

« Les effets topologiques nécessitent des valeurs très précises des composants inducteurs/condensateurs. Pour pallier cette difficulté, nous avons utilisé l'apprentissage automatique pour trouver des variantes de la conception du circuit qui affichent les mêmes phénomènes topologiques mais peuvent être construites à l'aide de pièces fabriquées avec moins de précision.", " a déclaré Amanda Sustrino, membre de l'équipe de recherche de l'Université de technologie et de design de Singapour.

Aidé par des algorithmes d'apprentissage automatique, l'équipe a conçu des circuits topoélectriques fonctionnant à des « sweet spots » particulièrement résistants au bruit électrique. Cette nouvelle conception permet d'identifier sans ambiguïté les signatures électriques insaisissables des états de peau de tambour.

"La capacité de contrôler un circuit électrique à l'aide de la topologie peut offrir une nouvelle voie vers le traitement du signal électrique, télédétection, et le traitement de l'information numérique à l'aide de composants peu coûteux et de faible puissance. Ces aspects pourraient être extrêmement importants pour les technologies futures telles que l'IoT et au-delà des réseaux 5G, " a déclaré le professeur assistant Yee Sin Ang de l'Université de technologie et de design de Singapour.