Область метаматериалов включает в себя проектирование сложных, составных структур, некоторые из которых могут манипулировать электромагнитными волнами способами, которые невозможны в природных материалах.

Для Надера Энгеты из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета одной из более высоких целей в этой области было создание метаматериалов, способных решать уравнения. Это «фотонное исчисление» будет работать путем кодирования параметров в свойствах входящей электромагнитной волны и отправки ее через устройство метаматериала; Оказавшись внутри, уникальная структура устройства будет манипулировать волной таким образом, что оно будет выходить закодированным с решением предварительно заданного интегрального уравнения для этого произвольного входа.

В статье, недавно опубликованной в журнале Science , Энгета и его команда впервые продемонстрировали такое устройство.

Их эксперимент с проверкой концепции был проведен с использованием микроволн, так как их длинные волны позволили создать более простое для построения макромасштабное устройство. Тем не менее, принципы, лежащие в основе их результатов, могут быть уменьшены до световых волн, которые в конечном итоге вписываются в микрочип.

Такие метаматериалы будут функционировать как аналоговые компьютеры, работающие со светом, а не с электричеством. Они могли бы решать интегральные уравнения — вездесущие проблемы в каждой отрасли науки и техники — на порядок быстрее, чем их цифровые аналоги, при этом используя меньше энергии.

Энгета, профессор H. Nedwill Ramsey на кафедре электротехники и системотехники, провела исследование вместе с членами лаборатории Насимом Мохаммади Эстахри и Брайаном Эдвардсом.

Этот подход имеет свои корни в аналоговых вычислениях. Первые аналоговые компьютеры решали математические задачи, используя физические элементы, такие как правила скольжения и наборы шестеренок, которыми манипулировали точными способами, чтобы прийти к решению. В середине 20-го века электронные аналоговые компьютеры заменили механические, с серией резисторов, конденсаторов, индукторов и усилителей, заменив часовой механизм своих предшественников.

Такие компьютеры были самыми современными, так как они могли одновременно решать большие таблицы информации, но были ограничены классом проблем, для которых они были заранее разработаны. Появление реконфигурируемых, программируемых цифровых компьютеров, начиная с ENIAC, построенного в Пенне в 1945 году, сделало их устаревшими.

По мере развития области метаматериалов Энгета и его команда разработали способ внедрения концепций аналоговых вычислений в XXI век. Опубликовав теоретический план «Фотонного исчисления» в « Науке» в 2014 году, они показали, как тщательно спроектированный метаматериал может выполнять математические операции над профилем проходящей волны, например, находя его первую или вторую производную.

Теперь Энгета и его команда провели физические эксперименты, проверяя эту теорию и расширяя ее для решения уравнений.

«Наше устройство содержит блок из диэлектрического материала, который имеет очень специфическое распределение воздушных отверстий», — говорит Энгета. «Наша команда любит называть это« швейцарским сыром ».

Швейцарский сырный материал представляет собой разновидность полистирольного пластика; его сложная форма вырезана фрезерным станком с ЧПУ.

«Контроль взаимодействия электромагнитных волн с этой метаструктурой швейцарского сыра является ключом к решению уравнения», — говорит Эстахри. «Как только система собрана правильно, вы получаете решение для интегрального уравнения».

«Эта структура, — добавляет Эдвардс, — была рассчитана с помощью вычислительного процесса, известного как« обратный дизайн », который можно использовать для поиска форм, которые ни один человек не подумает попробовать».

Структура полых областей в швейцарском сыре предопределена для решения интегрального уравнения с заданным «ядром», той части уравнения, которая описывает взаимосвязь между двумя переменными. Этот общий класс таких интегральных уравнений, известный как «интегральные уравнения Фредгольма второго рода», является обычным способом описания различных физических явлений в различных областях науки. Предварительно заданное уравнение может быть решено для любых произвольных входов, которые представлены фазами и величинами волн, которые вводятся в устройство.

«Например, если вы пытались спланировать акустику концертного зала, вы могли бы написать интегральное уравнение, в котором входные данные представляют источники звука, такие как положение колонок или инструментов, а также то, насколько громко они играют. Другие части уравнения будут представлять геометрию комнаты и материал, из которого сделаны ее стены. Решение этого уравнения даст вам объем в разных точках концертного зала ».

В интегральном уравнении, которое описывает взаимосвязь между источниками звука, формой комнаты и громкостью в определенных местах, особенности комнаты — форма и свойства материала ее стен — могут быть представлены ядром уравнения . Это та часть, которую исследователи Penn Engineering могут представить физически, благодаря точному расположению воздушных отверстий в их метаматериальном швейцарском сыре.

«Наша система позволяет вам изменять входы, которые представляют местоположения источников звука, изменяя свойства волны, которую вы посылаете в систему, — говорит Энгета, — но если вы хотите изменить форму комнаты, например, вам придется сделать новое ядро. »

Исследователи провели свой эксперимент с микроволнами; как таковое, их устройство было примерно два квадратных фута, или около восьми длин волн в ширину и четырех длин волн.

«Даже на этом этапе проверки концепции наше устройство очень быстрое по сравнению с электроникой», — говорит Энгета. «Что касается микроволн, наш анализ показал, что решение может быть получено за сотни наносекунд, и как только мы перейдем к оптике, скорость будет в пикосекундах».

Сокращение концепции до масштаба, в котором она может работать на световых волнах и размещаться на микрочипе, не только сделает их более практичными для вычислений, но и откроет двери для других технологий, которые позволят им больше походить на многофункциональные цифровые компьютеры. это впервые сделало аналоговые вычисления устаревшими десятилетия назад.

«Мы могли бы использовать технологию перезаписываемых компакт-дисков, чтобы создавать новые образцы швейцарского сыра по мере необходимости», — говорит Энгета. «Когда-нибудь вы сможете распечатать свой собственный реконфигурируемый аналоговый компьютер дома!»