De toekomst van de berekening is rooskleurig - letterlijk.

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met onderzoekers van McMaster University en University of Pittsburgh, hebben een nieuw platform ontwikkeld voor volledig optisch computergebruik, wat betekent dat berekeningen uitsluitend met lichtstralen worden gedaan.

"De meeste berekeningen maken momenteel gebruik van harde materialen zoals metaaldraden, halfgeleiders en fotodiodes om elektronica aan licht te koppelen, " zei Amos Meeks, een afgestudeerde student aan SEAS en co-eerste auteur van het onderzoek. "Het idee achter volledig optische computers is om die starre componenten te verwijderen en licht met licht te regelen. Stel je voor, bijvoorbeeld, een geheel zachte, circuitvrije robot aangedreven door licht van de zon."

Deze platforms vertrouwen op zogenaamde niet-lineaire materialen die hun brekingsindex veranderen als reactie op de intensiteit van het licht. Als er licht door deze materialen schijnt, de brekingsindex in het pad van de bundel neemt toe, het genereren van zijn eigen, licht gemaakte golfgeleider. Momenteel, de meeste niet-lineaire materialen vereisen krachtige lasers of worden permanent veranderd door de transmissie van licht.

Hier, onderzoekers ontwikkelden een fundamenteel nieuw materiaal dat omkeerbare zwelling en samentrekking in een hydrogel onder laag laservermogen gebruikt om de brekingsindex te veranderen.

De hydrogel is samengesteld uit een polymeernetwerk dat opgezwollen is met water, als een spons, en een klein aantal op licht reagerende moleculen die bekend staan ​​als spiropyran (vergelijkbaar met het molecuul dat wordt gebruikt om overgangslenzen te kleuren). Als er licht door de gel schijnt, het gebied onder het licht trekt een klein beetje samen, het concentreren van het polymeer en het veranderen van de brekingsindex. Als het licht uit is, de gel keert terug naar zijn oorspronkelijke staat.

Wanneer meerdere stralen door het materiaal schijnen, ze interageren en beïnvloeden elkaar, zelfs op grote afstanden. Straal A kan Straal B remmen, Straal B kan Straal A remmen, beide kunnen elkaar opheffen of beide kunnen er doorheen gaan - een optische logische poort creëren.

"Hoewel ze gescheiden zijn, de stralen zien elkaar nog steeds en veranderen daardoor, " zei Kalaichelvi Saravanamuttu, een universitair hoofddocent Scheikunde en Chemische Biologie bij McMaster en co-senior auteur van de studie. "We kunnen ons voorstellen, op de lange termijn, het ontwerpen van computeractiviteiten met behulp van dit intelligente reactievermogen."

"We kunnen niet alleen fotogevoelige materialen ontwerpen die hun optische, chemische en fysische eigenschappen in aanwezigheid van licht, maar we kunnen die veranderingen gebruiken om lichtkanalen te creëren, of zelfopgesloten balken, die licht kan leiden en manipuleren, " zei co-auteur Derek Morim, een afgestudeerde student in het laboratorium van Saravanamuttu.

"De materiaalwetenschap verandert, " zei Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson Professor of Materials Science bij SEAS en co-senior auteur van de studie. "Zelfregulerend, adaptieve materialen die in staat zijn om hun eigen eigenschappen te optimaliseren in reactie op de omgeving vervangen statische, energie-inefficiënt, extern gereguleerde analogen. Ons omkeerbaar responsief materiaal dat licht regelt met uitzonderlijk kleine intensiteiten is nog een andere demonstratie van deze veelbelovende technologische revolutie."

Dit onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Het was co-auteur van Ankita Shastri, Andy Tran, Anna V. Shneidman, Victor V. Yashin, Fariha Mahmood, Anna C. Balazs. Het werd gedeeltelijk ondersteund door het US Army Research Office onder Award W911NF-17-1-0351 en door de Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadese Stichting voor Innovatie.