Het gebied van metamaterialen omvat het ontwerpen van gecompliceerde, samengestelde structuren, waarvan sommige elektromagnetische golven kunnen manipuleren op manieren die onmogelijk zijn in natuurlijk voorkomende materialen.

Voor Nader Engheta van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania, een van de hogere doelen op dit gebied was het ontwerpen van metamaterialen die vergelijkingen kunnen oplossen. Deze "fotonische calculus" zou werken door parameters te coderen in de eigenschappen van een inkomende elektromagnetische golf en deze door een metamateriaalapparaat te sturen; eenmaal binnen, de unieke structuur van het apparaat zou de golf op zo'n manier manipuleren dat het gecodeerd zou verlaten met de oplossing voor een vooraf ingestelde integraalvergelijking voor die willekeurige invoer.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Wetenschap , Engheta en zijn team hebben voor het eerst een dergelijk apparaat gedemonstreerd.

Hun proof-of-concept experiment werd uitgevoerd met microgolven, omdat hun lange golflengten een gemakkelijker te construeren apparaat op macroschaal mogelijk maakten. De principes achter hun bevindingen, echter, kan worden verkleind tot lichtgolven, uiteindelijk passend op een microchip.

Dergelijke metamateriaalapparaten zouden functioneren als analoge computers die werken met licht, in plaats van elektriciteit. Ze konden integrale vergelijkingen - alomtegenwoordige problemen in elke tak van wetenschap en techniek - ordes van grootte sneller oplossen dan hun digitale tegenhangers, terwijl u minder stroom verbruikt.

Engeta, H. Nedwill Ramsey Professor bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, voerde het onderzoek uit samen met laboratoriumleden Nasim Mohammadi Estakhri en Brian Edwards.

Deze benadering heeft zijn wortels in analoge informatica. De eerste analoge computers losten wiskundige problemen op met behulp van fysieke elementen, zoals rekenlinialen en tandwielen, die op precieze manieren werden gemanipuleerd om tot een oplossing te komen. In het midden van de 20e eeuw, elektronische analoge computers vervingen de mechanische, met reeksen weerstanden, condensatoren, smoorspoelen en versterkers die de uurwerken van hun voorgangers vervangen.

Dergelijke computers waren state-of-the-art, omdat ze grote tabellen met informatie in één keer konden oplossen, maar waren beperkt tot de klasse van problemen waarvoor ze vooraf waren ontworpen. De komst van herconfigureerbare, programmeerbare digitale computers, beginnend met ENIAC, gebouwd in Penn in 1945, maakte ze overbodig.

Naarmate het veld van metamaterialen zich ontwikkelde, Engheta en zijn team bedachten een manier om de concepten achter analoog computergebruik naar de 21e eeuw te brengen. Het publiceren van een theoretische schets voor "fotonische calculus" in Wetenschap in 2014, ze lieten zien hoe een zorgvuldig ontworpen metamateriaal wiskundige bewerkingen kon uitvoeren op het profiel van een golf die het dacht, zoals het vinden van de eerste of tweede afgeleide.

Nutsvoorzieningen, Engheta en zijn team hebben fysieke experimenten uitgevoerd om deze theorie te valideren en uit te breiden om vergelijkingen op te lossen.

"Ons apparaat bevat een blok diëlektrisch materiaal met een zeer specifieke verdeling van luchtgaten, ", zegt Engheta. "Ons team noemt het graag 'Zwitserse kaas'."

Het Zwitserse kaasmateriaal is een soort polystyreenplastic; de ingewikkelde vorm is gesneden door een CNC-freesmachine.

"Het beheersen van de interacties van elektromagnetische golven met deze Zwitserse kaas-metastructuur is de sleutel tot het oplossen van de vergelijking, " zegt Estakhri. "Als het systeem eenmaal goed is gemonteerd, wat je uit het systeem krijgt, is de oplossing van een integraalvergelijking."

"Deze structuur, "Edwards voegt eraan toe, "werd berekend via een computerproces dat bekend staat als 'inverse ontwerp, ' die kan worden gebruikt om vormen te vinden die geen mens zou bedenken om te proberen."

Het patroon van holle gebieden in de Zwitserse kaas is vooraf bepaald om een ​​integraalvergelijking op te lossen met een gegeven "kernel, " het deel van de vergelijking dat de relatie tussen twee variabelen beschrijft. Deze algemene klasse van dergelijke integraalvergelijkingen, bekend als "Fredholm integraalvergelijkingen van de tweede soort, " is een gebruikelijke manier om verschillende fysieke verschijnselen in verschillende wetenschappelijke gebieden te beschrijven. De vooraf ingestelde vergelijking kan worden opgelost voor willekeurige invoer, die worden weergegeven door de fasen en groottes van de golven die in het apparaat worden geïntroduceerd.

"Bijvoorbeeld, als je de akoestiek van een concertzaal probeert te plannen, je zou een integrale vergelijking kunnen schrijven waarbij de ingangen de bronnen van het geluid vertegenwoordigen, zoals de positie van luidsprekers of instrumenten, en hoe hard ze spelen. Andere delen van de vergelijking vertegenwoordigen de geometrie van de kamer en het materiaal waarvan de muren zijn gemaakt. Als je die vergelijking oplost, krijg je het volume op verschillende punten in de concertzaal."

In de integraalvergelijking die de relatie tussen geluidsbronnen beschrijft, ruimtevorm en het volume op specifieke locaties, de kenmerken van de kamer - de vorm en materiaaleigenschappen van de muren - kunnen worden weergegeven door de kern van de vergelijking. Dit is het deel dat de onderzoekers van Penn Engineering op een fysieke manier kunnen vertegenwoordigen, door de precieze opstelling van luchtgaten in hun metamateriaal Zwitserse kaas.

"Met ons systeem kun je de ingangen die de locaties van de geluidsbronnen vertegenwoordigen wijzigen door de eigenschappen van de golf die je naar het systeem stuurt te veranderen, "Engheta zegt, "maar als je de vorm van de kamer wilt veranderen, bijvoorbeeld, je zult een nieuwe kernel moeten maken."

De onderzoekers voerden hun experiment uit met microgolven; als zodanig, hun apparaat was ongeveer twee vierkante voet, of ongeveer acht golflengten breed en vier golflengten lang.

"Zelfs in deze proof-of-concept-fase, ons apparaat is extreem snel in vergelijking met elektronica, " zegt Engheta. "Met microgolven, onze analyse heeft aangetoond dat een oplossing in honderden nanoseconden kan worden verkregen, en als we eenmaal naar de optica gaan, de snelheid zou in picoseconden zijn."

Het concept verkleinen tot de schaal waarop het op lichtgolven zou kunnen werken en op een microchip zou kunnen worden geplaatst, zou ze niet alleen praktischer maken voor computers, het zou de deuren openen naar andere technologieën die hen in staat zouden stellen meer te lijken op de multifunctionele digitale computers die analoge computers decennia geleden voor het eerst overbodig maakten.

"We zouden de technologie achter herschrijfbare cd's kunnen gebruiken om nieuwe Zwitserse kaaspatronen te maken als ze nodig zijn, "Zegt Engheta. "Op een dag kun je misschien je eigen herconfigureerbare analoge computer thuis printen!"