Beräkningens framtid är ljus - bokstavligen.

Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbete med forskare vid McMaster University och University of Pittsburgh, har utvecklat en ny plattform för all-optisk databehandling, vilket betyder beräkningar som görs enbart med ljusstrålar.

"De flesta beräkningar använder just nu hårda material som metalltrådar, halvledare och fotodioder för att koppla elektronik till ljus, "sade Amos Meeks, en doktorand vid SEAS och medförste författare till forskningen. "Tanken bakom all-optisk databehandling är att ta bort de styva komponenterna och styra ljuset med ljus. Tänk dig, till exempel, en helt mjuk, kretsfri robot som drivs av ljus från solen. "

Dessa plattformar förlitar sig på så kallade olinjära material som ändrar deras brytningsindex som svar på ljusets intensitet. När ljuset lyser genom dessa material, brytningsindexet i strålens väg ökar, skapar sin egen, lättgjord vågledare. För närvarande, de flesta icke-linjära material kräver kraftfulla lasrar eller ändras permanent genom överföring av ljus.

Här, forskare utvecklade ett fundamentalt nytt material som använder reversibel svullnad och sammandragning i en hydrogel under låg laserkraft för att ändra brytningsindex.

Hydrogeln består av ett polymernätverk som är svullet med vatten, som en svamp, och ett litet antal ljusreagerande molekyler som kallas spiropyran (som liknar molekylen som används för att färga övergångslinser). När ljuset lyser genom gelén, området under ljuset drar ihop en liten mängd, koncentrera polymeren och ändra brytningsindex. När lampan är släckt, gelén återgår till sitt ursprungliga tillstånd.

När flera strålar lyser genom materialet, de interagerar och påverkar varandra, även på stora avstånd. Beam A kan hämma Beam B, Beam B kan hämma Beam A, båda kunde avbryta varandra eller båda kunde gå igenom - skapa en optisk logisk grind.

"Även om de är separerade, balkarna ser fortfarande varandra och förändras som ett resultat, "sa Kalaichelvi Saravanamuttu, docent i kemi och kemisk biologi vid McMaster och medförfattare till studien. "Vi kan tänka oss, i längden, designa datoroperationer med denna intelligenta lyhördhet. "

"Inte bara kan vi designa fotoresponsiva material som reversibelt byter deras optiska, kemiska och fysikaliska egenskaper i närvaro av ljus, men vi kan använda dessa förändringar för att skapa ljuskanaler, eller självklämda balkar, som kan styra och manipulera ljus, "sa medförfattaren Derek Morim, en doktorand i Saravanamuttus labb.

"Materialvetenskap förändras, "sa Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid SEAS och medförfattare till studien. "Självreglerad, adaptiva material som kan optimera sina egna egenskaper som svar på miljön ersätter statisk, energiineffektiv, externt reglerade analoger. Vårt reversibelt mottagliga material som styr ljus med exceptionellt små intensiteter är ännu en demonstration av denna lovande tekniska revolution. "

Denna forskning publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences . Det var medförfattare av Ankita Shastri, Andy Tran, Anna V. Shneidman, Victor V. Yashin, Fariha Mahmood, Anna C. Balazs. Det stöddes delvis av US Army Research Office under Award W911NF-17-1-0351 och av Natural Sciences and Engineering Research Council, Canadian Foundation for Innovation.