Inventou mais de 15, 000 anos atrás, nós representam uma das primeiras descobertas tecnológicas no início da história humana que deu o pontapé inicial na ascensão subsequente da civilização humana. Ainda hoje, ainda contamos com nós em nossa vida diária. Nós do cadarço, por exemplo, desempenham um papel fundamental em manter os sapatos firmes em nossos pés há gerações. Embora os nós sejam invenções antigas, o significado científico e matemático dos nós só foi descoberto há cerca de 200 anos.

Matemáticos famosos, como Carl Frederich Gauss e Peter Guthrie Tait, desenvolveu as receitas gerais para a construção de nós diferentes, e as regras matemáticas que governam as classificações de nós de acordo com seus comportamentos matemáticos. Hoje, a teoria do nó formou um dos pilares centrais em muitas áreas, incluindo ciência da computação, biologia molecular, dobramento de proteínas, Engenharia de DNA, e descoberta de drogas.

Curiosamente, as propriedades eletrônicas de um tipo peculiar de metais, conhecido como semimetais de nó nodal, também pode exibir comportamentos complexos que imitam matematicamente nós. Esses nós peculiares são conhecidos como nó de espaço de momento, que surge quando várias bandas eletrônicas estão entrelaçadas e emaranhadas. Simplificando, o conceito de bandas eletrônicas fornece um quadro físico poderoso que é particularmente útil para descrever as propriedades eletrônicas dos sólidos. O espaço momentum é a 'paisagem' que hospeda essas bandas eletrônicas.

Por exemplo, sólidos eletricamente isolados normalmente têm bolsões de bandas que são bem separados por vazios - esses vazios no espaço de impulso servem como uma "zona de ninguém" que proíbe o fluxo de eletricidade, tornando, assim, tal material uma propriedade eletricamente isolante. Por outro lado, a abundância relativamente grande de bandas eletrônicas e a ausência de vazios nos metais permitem que a eletricidade flua através deles com mais facilidade, tornando-os bons condutores.

O que torna os semimetais de nó nodal especialmente incomuns quando comparados aos metais normais é que as bandas eletrônicas se entrelaçam e se enredam para formar estruturas com nós no espaço de momento. Isso é matematicamente equivalente aos nós que encontramos na vida cotidiana.

Embora os metais do nó nodal tenham sido previstos para existir em vários cristais, sintetizar esses cristais exóticos e sondar os nós espaciais de momento sutil continua sendo uma tarefa formidável. Para remediar tais dificuldades, físicos de Cingapura e da Alemanha criaram uma nova classe de sistemas elétricos projetados em 2018, que se baseia inteiramente em uma placa de circuito elétrico. Esse circuito elétrico projetado, chamados de circuitos elétricos topológicos, pode emular o comportamento físico complexo de materiais sólidos cristalinos usando componentes elétricos onipresentes, como resistores, capacitores, indutores e amplificadores operacionais. Aproveitando sua enorme flexibilidade de design, circuitos topolétricos têm sido amplamente usados ​​para ilustrar fenômenos físicos exóticos nos últimos anos.

Reportando Nature Communications , físicos de Cingapura (Universidade Nacional de Cingapura e Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura), A Alemanha (Universidade de Würzburg) e a China (Universidade Sun Yat-sen) alcançaram um avanço na síntese e na medição de nós nodais de espaço de momento usando circuitos elétricos topolétricos.

"A comunidade de pesquisa já percorreu um longo caminho na descoberta de fases exóticas da matéria. Mais de uma década atrás, o primeiro isolante topológico foi sintetizado, marcando a primeira vez que fenômenos protegidos topologicamente robustos foram detectados em um material real. Hoje, nós não apenas projetamos um sistema topológico sofisticado baseado em estruturas com nós, mas também percebeu isso com baixo custo, componentes elétricos onipresentes ", disse o Dr. Ching Hua Lee, Professor Assistente da Universidade Nacional de Cingapura, que liderou a equipe internacional de pesquisa, e foi pioneira na abordagem do uso de circuitos elétricos topicos para estudar fenômenos físicos fundamentais.

Um aspecto bastante incomum dos nós de espaço de momento é a existência de uma assinatura elétrica fumegante na fronteira do metal do nó nodal, comumente conhecido como "estados da pele do tambor". Medir os estados da pele do tambor em materiais sólidos é, no entanto, altamente desafiador, e normalmente requer instrumentos de última geração, tais como raios-X síncrotron de alta energia e ambientes de vácuo ultra-alto. Em contraste, sondar os estados da pele do tambor em circuitos elétricos topológicos requer apenas medições elétricas simples, que podem ser prontamente realizadas na maioria dos laboratórios.

"Os efeitos topológicos requerem valores muito precisos dos componentes do indutor / capacitor. Para neutralizar essa dificuldade, usamos o aprendizado de máquina para encontrar variações do projeto do circuito que exibiam os mesmos fenômenos topológicos, mas podem ser construídos usando peças feitas com menos precisão. ", "disse Amanda Sustrino, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura.

Auxiliado por algoritmos de aprendizado de máquina, a equipe projetou circuitos elétricos topolétricos operando em 'pontos ideais' que são particularmente robustos contra ruído elétrico. Este novo design permite que as assinaturas elétricas indescritíveis dos estados da pele do tambor sejam identificadas de forma inequívoca.

"A capacidade de controlar o circuito elétrico usando a topologia pode oferecer uma nova rota para o processamento de sinais elétricos, sensoriamento remoto, e processamento digital de informações usando componentes baratos e de baixo consumo de energia. Esses aspectos podem ser extremamente importantes para tecnologias futuras, como IoT e além das redes 5G, "disse o professor assistente Yee Sin Ang da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura.