Datum objave: 23.12.2022
Kategorija: Najodličnejši raziskovalni dosežki, Interdisciplinarne raziskave
Cilji trajnostnega razvoja: 9 Industrija, inovacije in infrastruktura (kazalniki)
Asist. dr. Žiga Kos s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani v predlaganem članku pokaže funkcionalnost nematskih tekočih kristalov za izvajanje računskih operacij. Članek sprva uvede matematično formulacijo nematskih računskih bitov kot defektnih stanj ter nato pokaže, da lahko z nadzorom dinamičnih lastnosti implementiramo logične operacije na posameznih nematskih bitih. V sistemih več nematskih bitov pa vodijo močne korelacije do univerzalnih logičnih vrat, kar je pomemben korak k uporabi mehke snovi za procesiranje informacij.
Velika večina računalnikov je trenutno osnovana na elektronskih digitalnih vezjih, kjer so možna stanja posameznih bitov tipično zgolj 0 ali 1, sekvence stanj, kakršna je na primer 0011001, pa se manipulira z logičnimi vrati. Za določene aplikacije so bili predlagani tudi alternativni računski mehanizmi, ki temeljijo na uporabi drugačnih materialov ali pa zveznih stanj bitov. Najbolj znan tak pristop so gotovo kvantni računalniki. Drugi alternativni računski pristopi so na primer računanje na osnovi DNK molekul, v celicah, mikrofluidnih vezjih, aktivni snovi in mehaničnih mrežah. Možen primer novih računskih materialov je tudi mehka snov, za katero je značilen močen odziv na zunanja polja. Nematski tekoči kristali so primer mehke snovi z orientacijskim redom molekul. Čeprav so nematske tekočine predmet intenzivnega raziskovanja in moderne eksperimentalne metode omogočajo tvorbo in natančno kontrolo kompleksnih topoloških stanj, ni bilo jasno, ali bi jih lahko uporabili za računske operacije.
V predlaganem članku dr. Kos pokaže, da lahko defekte v nematskih tekočinah razumemo kot računske bite, katerih stanje lahko opišemo z zveznimi opazljivkami v analogiji z Blochovo ali Poincarejevo sfero. Več takih nematskih bitov je med seboj močno sklopljenih preko elastične interakcije. Dr. Kos pokaže, da lahko takšna sklopitev vodi do implementacije univerzalnih logičnih operacij tipa NAND in NOR. S tem postavi teoretične osnove za uporabo mehkih nematskih materialov za shranjevanje in procesiranje informacij in odpre nova vprašanja o interakciji in manipulacij kompleksne mehke snovi. Pomembnost rezultatov kaže objava v ugledni znanstveni reviji Science Advances. Dosežek je bil predstavljen tudi v več predavanjih na mednarodnih konferencah (28th International Liquid Crystal Conference, APS March Meeting 2021, 11th Liquid Matter Conference, MIT Physical Mathematics Seminar), o njem pa so poročali tudi v medijih, kot sta recimo New Scientist in Physics World. Pomembno vlogo pri znanstvenem dosežku imajo prav raziskave tekočih kristalov na Univerzi v Ljubljani.
Predlagani članek je izšel v prestižni znanstveni reviji Science Advances, asist. dr. Žiga Kos pa je prvi izmed dveh avtorjev dela.
Izbrani defekti znotraj orientacijskega polja nematskega tekočega kristala služijo kot vhodni in izhodni nematski biti (nbiti) računske operacije. Enotska sfera kaže deformacijo, ki jo posamezni nematski biti opravijo med izvedbo logične operacije.
Vir: Ž. Kos in J. Dunkel, Nematic bits and universal logic gates, Science Advances 8, eabp8371 (2022); DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abp8371