Kontrol af lys med lys:Forskere udvikler en ny platform til altoptisk computing

Beregningens fremtid er lys - bogstaveligt talt.

Forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbejde med forskere ved McMaster University og University of Pittsburgh, har udviklet en ny platform til altoptisk computing, hvilket betyder beregninger udelukkende udført med lysstråler.

"De fleste beregninger bruger lige nu hårde materialer som metaltråde, halvledere og fotodioder til at koble elektronik til lys, "sagde Amos Meeks, en kandidatstuderende ved SEAS og medforfatter af forskningen. "Ideen bag al-optisk computing er at fjerne de stive komponenter og styre lyset med lys. Forestil dig, for eksempel, en helt blød, kredsløbsfri robot drevet af lys fra solen. "

Disse platforme er afhængige af såkaldte ikke-lineære materialer, der ændrer deres brydningsindeks som reaktion på lysets intensitet. Når der skinner lys gennem disse materialer, brydningsindekset i strålens vej stiger, skaber sin egen, lyslavet bølgeleder. I øjeblikket, de fleste ikke-lineære materialer kræver lasere med høj effekt eller ændres permanent ved lysoverførsel.

Her, forskere udviklede et fundamentalt nyt materiale, der bruger reversibel hævelse og kontrahering i en hydrogel under lav laserkraft til at ændre brydningsindekset.

Hydrogelen består af et polymernetværk, der er hævet af vand, som en svamp, og et lille antal lysreagerende molekyler kendt som spiropyran (som ligner det molekyle, der bruges til at farve overgangslinser). Når lyset skinner gennem gelen, området under lyset kontraherer et lille beløb, koncentrere polymeren og ændre brydningsindekset. Når lyset er slukket, gelen vender tilbage til sin oprindelige tilstand.

Når flere stråler lyser gennem materialet, de interagerer og påvirker hinanden, selv på store afstande. Stråle A kunne hæmme bjælke B, Bjælke B kunne hæmme stråle A, begge kunne annullere hinanden eller begge kunne gå igennem - skabe en optisk logisk gate.

"Selvom de er adskilte, bjælkerne ser stadig hinanden og ændrer sig som følge heraf, "sagde Kalaichelvi Saravanamuttu, en lektor i kemi og kemisk biologi hos McMaster og medforfatter til undersøgelsen. "Vi kan forestille os, På lang sigt, designe computeroperationer ved hjælp af denne intelligente lydhørhed. "

"Ikke alene kan vi designe fotoresponsive materialer, der reversibelt skifter deres optiske, kemiske og fysiske egenskaber i nærvær af lys, men vi kan bruge disse ændringer til at skabe lyskanaler, eller selvfangede bjælker, der kan guide og manipulere lys, "sagde medforfatter Derek Morim, en kandidatstuderende i Saravanamuttus laboratorium.

"Materialevidenskaben ændrer sig, "sagde Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson-professor i materialevidenskab ved SEAS og co-seniorforfatter af undersøgelsen. "Selvreguleret, adaptive materialer, der er i stand til at optimere deres egne egenskaber som reaktion på miljøet, erstatte statiske, energi-ineffektiv, eksternt regulerede analoger. Vores reversibelt reagerende materiale, der styrer lys ved usædvanligt små intensiteter, er endnu en demonstration af denne lovende teknologiske revolution. "

Denne forskning blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences . Det blev medforfatter af Ankita Shastri, Andy Tran, Anna V. Shneidman, Victor V. Yashin, Fariha Mahmood, Anna C. Balazs. Det blev delvist støttet af US Army Research Office under Award W911NF-17-1-0351 og af Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadisk Foundation for Innovation.