Metamaterialområdet innebär att utforma komplicerade, sammansatta strukturer, varav några kan manipulera elektromagnetiska vågor på sätt som är omöjliga i naturligt förekommande material.

För Nader Engheta från University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science, ett av de högre målen inom detta område har varit att designa metamaterial som kan lösa ekvationer. Denna "fotoniska beräkning" skulle fungera genom att koda parametrar i egenskaperna hos en inkommande elektromagnetisk våg och skicka den genom en metamaterialanordning; en gång inuti, enhetens unika struktur skulle manipulera vågen på ett sådant sätt att den skulle avsluta kodad med lösningen till en förinställd integralekvation för den godtyckliga ingången.

I en tidning som nyligen publicerades i Vetenskap , Engheta och hans team har demonstrerat en sådan enhet för första gången.

Deras proof-of-concept-experiment utfördes med mikrovågor, eftersom deras långa våglängder möjliggjorde en lättare att konstruera makroskalanordning. Principerna bakom deras resultat, dock, kan skalas ner till ljusvågor, så småningom montering på ett mikrochip.

Sådana metamaterialenheter skulle fungera som analoga datorer som fungerar med ljus, snarare än el. De kunde lösa integrala ekvationer - allestädes närvarande problem inom alla grenar av vetenskap och teknik - storleksordningar snabbare än deras digitala motsvarigheter, samtidigt som du använder mindre ström.

Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor vid Institutionen för el- och systemteknik, genomförde studien tillsammans med labmedlemmarna Nasim Mohammadi Estakhri och Brian Edwards.

Detta tillvägagångssätt har sina rötter i analog databehandling. De första analoga datorerna löste matematiska problem med hjälp av fysiska element, såsom bildregler och växlar, som manipulerades på exakta sätt för att komma fram till en lösning. I mitten av 1900-talet, elektroniska analoga datorer ersatte de mekaniska, med serier av motstånd, kondensatorer, induktorer och förstärkare som ersätter sina föregångares klockverk.

Sådana datorer var toppmoderna, eftersom de kunde lösa stora tabeller med information på en gång, men var begränsade till klassen av problem som de var fördesignade att hantera. Tillkomsten av omkonfigurerbara, programmerbara digitala datorer, börjar med ENIAC, byggdes i Penn 1945, gjort dem föråldrade.

När metamaterialområdet utvecklades, Engheta och hans team utarbetade ett sätt att föra in begreppen bakom analog dator i 2000 -talet. Publicerar en teoretisk disposition för "fotonisk kalkyl" i Vetenskap under 2014, de visade hur ett noggrant utformat metamaterial kunde utföra matematiska operationer på profilen av en våg som passerade trodde det, som att hitta sitt första eller andra derivat.

Nu, Engheta och hans team har utfört fysiska experiment som validerar denna teori och utökar den för att lösa ekvationer.

"Vår enhet innehåller ett block av dielektriskt material som har en mycket specifik fördelning av lufthål, "Säger Engheta." Vårt team gillar att kalla det "schweizisk ost". "

Det schweiziska ostmaterialet är ett slags polystyrenplast; dess invecklade form är huggen av en CNC -fräsmaskin.

"Kontroll av elektromagnetiska vågors interaktioner med denna schweiziska ostmetastruktur är nyckeln till att lösa ekvationen, "Säger Estakhri." När systemet väl är korrekt monterat, det du får ut av systemet är lösningen på en integrerad ekvation. "

"Denna struktur, "Tillägger Edwards, "beräknades genom en beräkningsprocess som kallas" invers design, 'som kan användas för att hitta former som ingen människa skulle kunna tänka sig att försöka. "

Mönstret för ihåliga områden i schweizisk ost är förutbestämt för att lösa en integrerad ekvation med en given "kärna, "den del av ekvationen som beskriver sambandet mellan två variabler. Denna allmänna klass av sådana integrerade ekvationer, känd som "Fredholm integralekvationer av det andra slaget, "är ett vanligt sätt att beskriva olika fysiska fenomen inom en mängd olika vetenskapliga områden. Den förinställda ekvationen kan lösas för godtyckliga inmatningar, som representeras av faserna och storleken på de vågor som införs i enheten.

"Till exempel, om du försökte planera akustiken i en konserthall, du kan skriva en integrerad ekvation där ingångarna representerar ljudkällorna, som högtalarnas eller instrumentens position, liksom hur högt de spelar. Andra delar av ekvationen skulle representera rummets geometri och materialet dess väggar är gjorda av. Att lösa den ekvationen skulle ge dig volymen på olika platser i konserthuset. "

I den integrerade ekvationen som beskriver förhållandet mellan ljudkällor, rumsform och volym på specifika platser, rummets egenskaper - väggarnas form och materialegenskaper - kan representeras av ekvationens kärna. Detta är den del Penn Engineering -forskarna kan representera på ett fysiskt sätt, genom det exakta arrangemanget av lufthål i deras metamaterial schweizisk ost.

"Vårt system låter dig ändra ingångarna som representerar platserna för ljudkällorna genom att ändra egenskaperna för den våg du skickar in i systemet, "Säger Engheta, "men om du vill ändra rummets form, till exempel, du måste göra en ny kärna. "

Forskarna genomförde sitt experiment med mikrovågor; som sådan, deras enhet var ungefär två kvadratmeter, eller cirka åtta våglängder breda och fyra våglängder långa.

"Även i detta proof-of-concept-skede, vår enhet är extremt snabb jämfört med elektronik, "Säger Engheta." Med mikrovågor, vår analys har visat att en lösning kan erhållas i hundratals nanosekunder, och när vi väl tar det till optik, hastigheten skulle vara i picosekunder. "

Att skala ner konceptet till den skala där det kan fungera på ljusvågor och placeras på ett mikrochip skulle inte bara göra dem mer praktiska för beräkning, det skulle öppna dörrarna till annan teknik som skulle göra det möjligt för dem att likna de multifunktionella digitala datorer som först gjorde analoga datorer föråldrade för decennier sedan.

"Vi kan använda tekniken bakom omskrivbara CD -skivor för att skapa nya schweiziska ostmönster efter behov. "Säger Engheta." En dag kanske du kan skriva ut din egen omkonfigurerbara analoga dator hemma! "