Metasurface løser beregningsproblemer som en analog computer

Forskere har demonstreret, at et 2-D menneskeskabt materiale kaldet en metasurface kan udføre rumlig differentiering og integration, de to hovedtyper af beregningsproblemer, når det belyses af en laserstråle. I det væsentlige, metasurface forvandler formen af ​​den indkommende lysbølgeprofil (input) til formen af ​​dens derivat eller integral (output). Præstationen kræver meget præcis kontrol af lys i nanoskalaen - specifikt styrer både amplituden og fasen af ​​det reflekterede lys på samme tid.

Forskerne, Anders Pors, Michael G. Nielsen, og Sergey I. Bozhevolnyi ved Syddansk Universitet, har offentliggjort deres papir om den nye metasurface i et nylig nummer af Nano bogstaver .

Noget uventet, arbejdet bygger på nyere forskning om analog computing, som er baseret på kontinuerlige værdier, frem for inkrementelle værdier som brugt digital computing. Den nye metasurface bruger kontinuerlige værdier af lysets fase og amplitude til at udføre beregningsoperationer, gør det til et eksempel på analog computing.

Begrebet analoge computere kan fremkalde billeder af diasregler og andre gammeldags værktøjer, der blev erstattet af digitale computere i 1960'erne og 70'erne. Men sidste år, et team af forskere (A. Silva, et al.) præsenterede simuleringer, der tyder på, at metamaterialer kan udføre beregningsopgaver på en analog måde - det vil sige, ved at bruge kontinuerlige optiske felter frem for diskrete bits til at repræsentere data.

Dette arbejde viste, at metaoverflader har den fordel, at de er ekstremt tynde - størrelsesordener mindre end konventionelle optiske elementer såsom omfangsrige linser eller bølgeplader. Deres tyndhed muligvis muliggør design af miniaturiserede, kompakte optiske kredsløb, med analog computing som en unik applikation.

I den nye undersøgelse, forskerne fra Danmark demonstrerede en praktisk tilgang til at realisere kompakt analog computing ved hjælp af metasurfaces. Generelt, metasurfaces består af en række små metalliske spredere, der er mindre end bølgelængden af ​​lyset, der passerer gennem dem.

Her, forskerne brugte guld nanobricks som spredere, anbragt oven på et siliciumdioxid -afstandsstykke og en guldfilm. Når en 800-nm laserstråle oplyser metaoverfladen, lyset ophidser gap-overfladeplasmoner, der formerer sig i afstandsstykket mellem nanobricks og guldfilm, hvilket resulterer i reflekteret lys, hvis amplitude og fase bestemmes af størrelserne på nanobricks.

Mens amplitude og fase tidligere er blevet kontrolleret individuelt, denne undersøgelse markerer første gang, at de to egenskaber styres samtidigt og uafhængigt ved at variere dimensionerne af metalliske spredere, repræsenterer en hidtil uset kontrol af lys på nanoskalaen.

"Vi mener, at den største betydning er, faktisk, ikke analog computing, men muligheden for samtidig at kontrollere amplituden og fasen af ​​reflekteret lys ved synlige frekvenser, "Fortalte Pors Phys.org . "Som nævnt i artiklens konklusion, dette giver mulighed for nye operationer af metasurfaces, som generering af komplekse bølgefronter eller informationslagring i (fase- og amplitudestyrede) hologrammer. I øvrigt, man kunne forestille sig, at metasurface-plader blev brugt som tilføjelser i optiske mikroskoper-f.eks. til kantdetekteringsbilleddannelse ved at beregne det andet derivat, eller fasebilleddannelse ved hjælp af en Zernike -plade. "

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. Light, imidlertid, 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; dvs. it can be faster than digital computations."

I fremtiden, 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 Phys.org