Forskare har visat att ett tvådimensionellt konstgjord material som kallas en metasurface kan utföra rumslig differentiering och integration, de två huvudtyperna av kalkylproblem, när den belyses av en laserstråle. Väsentligen, metasytan omvandlar formen av den inkommande ljusvågprofilen (ingången) till formen av dess derivat eller integral (utsignalen). Prestationen kräver mycket exakt kontroll av ljus i nanoskala - specifikt, styr både amplituden och fasen för det reflekterade ljuset samtidigt.

Forskarna, Anders Pors, Michael G. Nielsen, och Sergey I. Bozhevolnyi vid Syddansk Universitet, har publicerat sitt papper om den nya metasurface i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

Något oväntat, arbetet bygger på ny forskning om analog dator, som bygger på kontinuerliga värden, snarare än inkrementella värden som används digital dator. Den nya metasytan använder kontinuerliga värden för ljusets fas och amplitud för att utföra beräkningsoperationerna, vilket gör det till ett exempel på analog dator.

Begreppet analoga datorer kan trolla fram bilder av bildregler och andra gammaldags verktyg som ersattes av digitala datorer på 1960- och 70-talen. Men förra året, ett team av forskare (A. Silva, et al.) presenterade simuleringar som tyder på att metamaterial kan utföra beräkningsuppgifter på ett analogt sätt - det vill säga genom att använda kontinuerliga optiska fält snarare än diskreta bitar för att representera data.

Det arbetet visade att metasytor har fördelen att de är extremt tunna - storleksordningar mindre än konventionella optiska element som skrymmande linser eller vågplattor. Deras tunnhet möjligen möjliggör design av miniatyriserade, kompakta optiska kretsar, med analog dator som en unik applikation.

I den nya studien, forskarna från Danmark visade ett praktiskt tillvägagångssätt för att realisera kompakt analog dator med metasytor. I allmänhet, metasytor består av en rad små metalliska spridare som är mindre än våglängden för ljuset som passerar genom dem.

Här, forskarna använde guld nanobricks som spridare, placeras ovanpå ett kiseldioxidavstånd och en guldfilm. När en 800-nm laserstråle belyser metasytan, ljuset upphetsar gap-yta plasmoner som sprider sig i distansområdet mellan nanobricks och guldfilm, vilket resulterar i reflekterat ljus vars amplitud och fas bestäms av storleken på nanobrickarna.

Medan amplitud och fas tidigare har styrts individuellt, denna studie markerar första gången som de två egenskaperna kontrolleras samtidigt och oberoende av varandra genom att variera dimensionerna på metalliska spridare, representerar oöverträffad kontroll av ljus i nanoskala.

"Vi tror att den största betydelsen är, faktiskt, inte analog beräkning utan möjligheten att samtidigt styra amplituden och fasen av reflekterat ljus vid synliga frekvenser, "Berättade Pors Phys.org . "Som nämnts i artikelns slutsats, detta möjliggör ny drift av metasytor, som generering av komplexa vågfronter eller informationslagring i (fas- och amplitudstyrda) hologram. Dessutom, man kan tänka sig metasytor som används som tillägg i optiska mikroskop-till exempel för kantdetektering avbildning genom att beräkna det andra derivatet, eller fasavbildning med en Zernike -platta. "

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. Ljus, dock, 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; d.v.s. it can be faster than digital computations."

I framtiden, 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