Ingeniører demonstrerer metamaterialer, der kan løse ligninger

Metamaterialefeltet indebærer at designe komplicerede, sammensatte strukturer, hvoraf nogle kan manipulere elektromagnetiske bølger på måder, der er umulige i naturligt forekommende materialer.

For Nader Engheta fra University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science, et af de højere mål på dette område har været at designe metamaterialer, der kan løse ligninger. Denne "fotoniske beregning" ville fungere ved at kode parametre i egenskaberne for en indkommende elektromagnetisk bølge og sende den gennem en metamaterialeanordning; en gang inde, enhedens unikke struktur ville manipulere bølgen på en sådan måde, at den ville forlade kodet med løsningen til en forudindstillet integralligning for det vilkårlige input.

I et papir, der for nylig blev offentliggjort i Videnskab , Engheta og hans team har demonstreret en sådan enhed for første gang.

Deres proof-of-concept eksperiment blev udført med mikrobølger, da deres lange bølgelængder muliggjorde en lettere at konstruere makroskalaenhed. Principperne bag deres fund, imidlertid, kan nedskaleres til lysbølger, til sidst på en mikrochip.

Sådanne metamaterialer vil fungere som analoge computere, der fungerer med lys, frem for elektricitet. De kunne løse integrale ligninger - allestedsnærværende problemer inden for alle grene af videnskab og teknik - størrelsesordener hurtigere end deres digitale modstykker, mens du bruger mindre strøm.

Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor i Institut for Elektroteknik og Systemteknik, gennemførte undersøgelsen sammen med laboratoriemedlemmer Nasim Mohammadi Estakhri og Brian Edwards.

Denne tilgang har sine rødder i analog computing. De første analoge computere løste matematiske problemer ved hjælp af fysiske elementer, såsom diasregler og gear, der blev manipuleret på præcise måder for at nå frem til en løsning. I midten af ​​det 20. århundrede, elektroniske analoge computere erstattede de mekaniske, med en række modstande, kondensatorer, induktorer og forstærkere, der erstatter deres forgængeres urværk.

Sådanne computere var topmoderne, da de kunne løse store tabeller med informationer på én gang, men var begrænset til den klasse af problemer, de var forud designet til at håndtere. Fremkomsten af ​​rekonfigurerbare, programmerbare digitale computere, startende med ENIAC, bygget i Penn i 1945, gjort dem forældede.

Efterhånden som metamaterialefeltet udviklede sig, Engheta og hans team udtænkte en måde at bringe begreberne bag analog computing ind i det 21. århundrede. Udgivelse af en teoretisk oversigt for "fotonisk beregning" i Videnskab i 2014, de viste, hvordan et omhyggeligt designet metamateriale kunne udføre matematiske operationer på profilen af ​​en bølge, der passerede, troede det, såsom at finde sit første eller andet derivat.

Nu, Engheta og hans team har udført fysiske eksperimenter, der validerede denne teori og udvidede den til at løse ligninger.

"Vores enhed indeholder en blok dielektrisk materiale, der har en meget specifik fordeling af lufthuller, "Siger Engheta." Vores team kalder det gerne 'schweizisk ost'. "

Det schweiziske ostemateriale er en slags polystyrenplast; dens indviklede form er skåret af en CNC -fræsemaskine.

"Styring af interaktionerne mellem elektromagnetiske bølger og denne schweiziske ostmetastruktur er nøglen til at løse ligningen, "Siger Estakhri." Når systemet er korrekt monteret, hvad du får ud af systemet er løsningen på en integreret ligning. "

"Denne struktur, "Edwards tilføjer, "blev beregnet gennem en beregningsproces kendt som 'omvendt design, 'som kan bruges til at finde former, som ingen mennesker ville finde på at prøve. "

Mønsteret af hule områder i den schweiziske ost er forudbestemt for at løse en integreret ligning med en given "kerne, "den del af ligningen, der beskriver forholdet mellem to variabler. Denne generelle klasse af sådanne integrale ligninger, kendt som "Fredholm integrale ligninger af den anden slags, "er en almindelig måde at beskrive forskellige fysiske fænomener på forskellige videnskabelige områder. Den forudindstillede ligning kan løses for vilkårlige input, som er repræsenteret ved faser og størrelser af de bølger, der indføres i enheden.

"For eksempel, hvis du forsøgte at planlægge akustikken i en koncertsal, du kunne skrive en integreret ligning, hvor inputene repræsenterer lydkilderne, f.eks. placeringen af ​​højttalere eller instrumenter, samt hvor højt de spiller. Andre dele af ligningen repræsenterer rummets geometri og det materiale, dets vægge er lavet af. At løse denne ligning ville give dig volumen på forskellige punkter i koncertsalen. "

I den integrerede ligning, der beskriver forholdet mellem lydkilder, rumform og volumen på bestemte steder, rummets egenskaber - dets vægge form og materialegenskaber - kan repræsenteres af ligningens kerne. Dette er den del, Penn Engineering -forskerne er i stand til at repræsentere på en fysisk måde, gennem det præcise arrangement af lufthuller i deres metamateriale schweizisk ost.

"Vores system giver dig mulighed for at ændre input, der repræsenterer placeringen af ​​lydkilderne ved at ændre egenskaberne for den bølge, du sender ind i systemet, "Engheta siger, "men hvis du vil ændre rummets form, for eksempel, du bliver nødt til at lave en ny kerne. "

Forskerne gennemførte deres eksperiment med mikrobølger; som sådan, deres enhed var omtrent to kvadratmeter, eller cirka otte bølgelængder brede og fire bølgelængder lange.

"Selv på denne proof-of-concept-fase, vores enhed er ekstremt hurtig i forhold til elektronik, "Engheta siger." Med mikrobølger, vores analyse har vist, at en løsning kan opnås i hundredvis af nanosekunder, og når vi tager det til optik, hastigheden ville være i picosekunder. "

Nedskalering af konceptet til den skala, hvor det kunne operere på lysbølger og placeres på en mikrochip, ville ikke kun gøre dem mere praktiske til computing, det ville åbne dørene til andre teknologier, der ville sætte dem i stand til at ligne de multifunktionelle digitale computere, der først gjorde analoge computere forældede for årtier siden.

"Vi kunne bruge teknologien bag omskrivbare cd'er til at lave nye schweiziske ostemønstre, efter behov. "Siger Engheta." En dag kan du muligvis udskrive din egen omkonfigurerbare analoge computer derhjemme! "