Simuleringsresultat av ljus som påverkar vätskegeometrin, vilket i sin tur påverkar reflektions- och transmissionsegenskaperna för det optiska läget, vilket utgör en tvåvägs interaktionsmekanism mellan ljus och vätska. Graden av deformation fungerar som ett optiskt minne som gör det möjligt att lagra effektstorleken för den tidigare optiska pulsen och använda vätskedynamik för att påverka den efterföljande optiska pulsen vid samma aktiveringsområde, vilket utgör en arkitektur där minnet är en del av beräkningsprocessen. Kredit:Gao et al., Advanced Photonics (2022). DOI:10.1117/1.AP.4.4.046005
Solljus som glittrar på vattnet framkallar de rika fenomenen av vätske-ljusinteraktion, som spänner över rumsliga och tidsmässiga skalor. Medan vätskors dynamik har fascinerat forskare i årtionden, har framväxten av neuromorfisk datoranvändning utlöst betydande ansträngningar för att utveckla nya, okonventionella beräkningsscheman baserade på återkommande neurala nätverk, avgörande för att stödja ett stort antal moderna tekniska tillämpningar, såsom mönsterigenkänning och autonom körning . Eftersom biologiska neuroner också är beroende av en flytande miljö, kan en konvergens uppnås genom att föra ickelinjär vätskedynamik i nanoskala till neuromorfisk beräkning.
Forskare från University of California San Diego föreslog nyligen ett nytt paradigm där vätskor, som vanligtvis inte interagerar starkt med ljus på mikro- eller nanoskala, stödjer betydande olinjära reaktioner på optiska fält. Som rapporterats i Avancerad fotonik , förutspår forskarna en betydande ljus-vätska-interaktionseffekt genom en föreslagen guldplåster i nanoskala som fungerar som en optisk värmare och genererar tjockleksförändringar i en vätskefilm som täcker vågledaren.
Vätskefilmen fungerar som ett optiskt minne. Så här fungerar det:Ljus i vågledaren påverkar vätskeytans geometri, medan förändringar i vätskeytans form påverkar egenskaperna hos det optiska läget i vågledaren och utgör därmed en ömsesidig koppling mellan det optiska läget och vätskefilmen . Det är viktigt att när vätskegeometrin ändras, genomgår egenskaperna hos den optiska moden ett icke-linjärt svar; efter att den optiska pulsen stannat, indikerar storleken på vätskefilmens deformation styrkan av den föregående optiska pulsen.
Anmärkningsvärt, till skillnad från traditionella beräkningsmetoder, finns det olinjära svaret och minnet i samma rumsliga region, vilket antyder realisering av en kompakt (bortom von-Neumann) arkitektur där minne och beräkningsenhet upptar samma utrymme. Forskarna visar att kombinationen av minne och olinjäritet tillåter möjligheten till "reservoarberäkning" som kan utföra digitala och analoga uppgifter, såsom olinjära logiska grindar och handskriven bildigenkänning.
Deras modell utnyttjar också en annan betydande flytande egenskap:icke-lokalitet. Detta gör det möjligt för dem att förutsäga beräkningsförbättringar som helt enkelt inte är möjliga i solid state materialplattformar med begränsad icke-lokal rumslig skala. Trots icke-lokalitet uppnår modellen inte riktigt nivåerna för moderna solid-state optik-baserade reservoarberäkningssystem, men arbetet presenterar ändå en tydlig färdplan för framtida experimentella arbeten som syftar till att validera de förutsagda effekterna och utforska invecklade kopplingsmekanismer för olika fysiska processer i en flytande miljö för beräkning.
Med hjälp av multifysiksimuleringar för att undersöka kopplingen mellan ljus, vätskedynamik, värmetransport och ytspänningseffekter förutspår forskarna en familj av nya icke-linjära och icke-lokala optiska effekter. De går ett steg längre genom att indikera hur dessa kan användas för att realisera mångsidiga, icke-konventionella beräkningsplattformar. Genom att dra fördel av en mogen kiselfotonikplattform föreslår de förbättringar av toppmoderna vätskeunderstödda beräkningsplattformar med cirka fem storleksordningar i rymden och minst två storleksordningar i hastighet. + Utforska vidare
