Wetenschappers hebben aangetoond dat een door mensen gemaakt 2D-materiaal, een metasurface genaamd, ruimtelijke differentiatie en integratie kan uitvoeren, de twee belangrijkste soorten rekenproblemen, wanneer verlicht door een laserstraal. Eigenlijk, het meta-oppervlak transformeert de vorm van het inkomende lichtgolfprofiel (de input) in de vorm van zijn afgeleide of integraal (de output). De prestatie vereist een zeer nauwkeurige controle van licht op nanoschaal, met name tegelijkertijd zowel de amplitude als de fase van het gereflecteerde licht regelen.

De onderzoekers, Anders Pors, Michael G. Nielsen, en Sergey I. Bozhevolnyi aan de Universiteit van Zuid-Denemarken, hebben hun paper over het nieuwe metasurface gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Enigszins onverwacht, het werk bouwt voort op recent onderzoek naar analoog computergebruik, die gebaseerd is op continue waarden, in plaats van incrementele waarden zoals gebruikt digitaal computergebruik. Het nieuwe meta-oppervlak gebruikt continue waarden van de fase en amplitude van licht om de calculusbewerkingen uit te voeren, waardoor het een voorbeeld van analoog computergebruik is.

Het concept van analoge computers kan beelden oproepen van rekenlinialen en andere ouderwetse hulpmiddelen die in de jaren zestig en zeventig werden vervangen door digitale computers. Maar vorig jaar, een team van onderzoekers (A. Silva, et al.) presenteerden simulaties die suggereren dat metamaterialen computationele taken op een analoge manier kunnen uitvoeren - dat wil zeggen, door continue optische velden te gebruiken in plaats van discrete bits om gegevens weer te geven.

Dat werk toonde aan dat meta-oppervlakken het voordeel hebben dat ze extreem dun zijn - ordes van grootte kleiner dan conventionele optische elementen zoals omvangrijke lenzen of golfplaten. Hun dunheid maakt het mogelijk om geminiaturiseerde, compacte optische kringen, met analoog computergebruik als één unieke toepassing.

In de nieuwe studie de onderzoekers uit Denemarken demonstreerden een praktische aanpak om compact analoog computergebruik te realiseren met behulp van meta-oppervlakken. In het algemeen, meta-oppervlakken bestaan ​​uit een reeks kleine metalen verstrooiers die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat er doorheen gaat.

Hier, de onderzoekers gebruikten gouden nanostenen als verstrooiers, bovenop een afstandhouder van siliciumdioxide en een gouden film geplaatst. Wanneer een laserstraal van 800 nm het meta-oppervlak verlicht, het licht wekt plasmonen op die zich voortplanten in het spacergebied tussen de nanostenen en de goudfilm, resulterend in gereflecteerd licht waarvan de amplitude en fase worden bepaald door de grootte van de nanostenen.

Terwijl amplitude en fase voorheen afzonderlijk werden geregeld, deze studie markeert de eerste keer dat de twee eigenschappen gelijktijdig en onafhankelijk worden gecontroleerd door de afmetingen van de metalen verstrooiers te variëren, wat neerkomt op een ongekende controle van licht op nanoschaal.

"Wij geloven dat de grootste betekenis is, in feite, geen analoog computergebruik maar de mogelijkheid om gelijktijdig de amplitude en fase van gereflecteerd licht op zichtbare frequenties te regelen, "Pors vertelde" Phys.org . "Zoals vermeld in de conclusie van het artikel, dit maakt nieuwe bewerkingen van meta-oppervlakken mogelijk, zoals het genereren van complexe golffronten of informatieopslag in (fase- en amplitudegestuurde) hologrammen. Bovendien, men zou zich kunnen voorstellen dat metasurface-platen worden gebruikt als add-ons in optische microscopen, bijvoorbeeld voor beeldvorming met randdetectie door de tweede afgeleide te berekenen, of fasebeeldvorming met behulp van een Zernike-plaat."

He explained that there are several potential advantages of analog computing that have attracted recent attention to the subject.

"The renewed interest comes from the possibility of using light instead of an electrical signal or mechanical motion, which can allow for faster computation in a compact setup, " Pors said. "In general, researchers hope in the future to replace electrical signals with light because the frequency of light is much higher than GHz operation typically used in electronics. Licht, echter, cannot conventionally be squeezed down to the dimensions of electronics, which is the reason why electronics dominates, with light mainly being used to transfer huge amounts of data over long distances. Regarding analog versus digital computation, analog computations have the advantage that the input signal doesn't have to be converted to a digital stream of bits, meaning that analog operations don't suffer from conversion delays; d.w.z., it can be faster than digital computations."

In de toekomst, the researchers plan to investigate the wider potential of metasurfaces.

"We will not solely focus on analog computing, but continue exploring the possibilities of using gradient metasurfaces to control light and design new spectacular/important functionalities, " Pors said.

© 2015 Fys.org