Penn Engineers Demonstrate Metamaterials That Can Solve Equations

Nader Engheta, pusat, bersama ahli-ahli makmal Brian Edwards dan Nasim Mohammadi Estakhri berpose dengan peranti metamaterial penyelesaian persamaan mereka. Bentuk dan corak lubang udara direka bentuk untuk berfungsi dengan gelombang mikro. Prinsip yang sama boleh digunakan untuk inframerah atau gelombang cahaya yang dapat dilihat, yang akan membolehkan peranti dimatikan agar sesuai dengan mikrocip. (Foto: Eric Sucar)

Bidang metamaterial melibatkan merancang struktur komposit yang rumit, beberapa di antaranya dapat memanipulasi gelombang elektromagnet dalam cara yang tidak mungkin dalam bahan-bahan alami.

Bagi Nader Engheta dari Pusat Pengajian Kejuruteraan dan Sains Gunaan Universiti Pennsylvania, salah satu matlamat yang lebih tinggi dalam bidang ini adalah untuk merekabentuk metamaterial yang dapat menyelesaikan persamaan. "Kalkulus fotonik" ini akan berfungsi dengan mengodkan parameter ke dalam sifat gelombang elektromagnetik yang masuk dan menghantarnya melalui peranti metamaterial; sekali di dalam, struktur unik peranti akan memanipulasi gelombang sedemikian rupa sehingga ia akan keluar dikodkan dengan penyelesaian kepada persamaan integral pra-set untuk input sewenang-wenangnya.

Dalam kertas yang baru diterbitkan dalam Sains, Engheta dan pasukannya telah menunjukkan peranti sedemikian untuk kali pertama.

Percubaan percubaan-konsep mereka dijalankan dengan gelombang mikro, kerana panjang gelombang panjangnya dibenarkan untuk peranti makro skala yang lebih mudah dibina. Walau bagaimanapun, prinsip-prinsip di sebalik penemuan mereka dapat dikurangkan kepada gelombang cahaya, akhirnya dipasang pada mikrocip.

Peranti metamaterial tersebut akan berfungsi sebagai komputer analog yang beroperasi dengan cahaya, dan bukannya elektrik. Mereka boleh menyelesaikan persamaan integral - masalah di mana-mana di setiap cabang sains dan kejuruteraan - pesanan magnitud lebih cepat daripada rakan-rakan digital mereka, sambil menggunakan kuasa kurang.

Engheta, Professor H. Nedwill Ramsey di Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Sistem, menjalankan kajian itu bersama ahli-ahli makmal Nasim Mohammadi Estakhri dan Brian Edwards.

Pendekatan ini mempunyai akar dalam pengkomputeran analog. Komputer analog pertama menyelesaikan masalah matematik menggunakan unsur-unsur fizikal, seperti aturan slaid dan set gear, yang dimanipulasi dengan cara yang tepat untuk mencapai penyelesaian. Pada pertengahan abad ke-20, komputer analog elektronik menggantikan sistem mekanikal, dengan siri resistor, kapasitor, induktor dan penguat menggantikan kerja clock lama mereka.

Komputer sedemikian adalah canggih, kerana mereka dapat menyelesaikan jadual maklumat yang besar sekaligus, tetapi hanya terhad kepada kelas masalah yang telah dirancang sebelum ini untuk dikendalikan. Kemunculan komputer digital yang boleh dikonfigurasikan semula, bermula dengan ENIAC, dibina di Penn pada tahun 1945, menjadikannya usang.

Apabila bidang metamaterial berkembang, Engheta dan pasukannya telah menghasilkan satu cara untuk membawa konsep di sebalik pengkomputeran analog ke abad ke-21. Menerbitkan satu garisan teori untuk "kalkulus fotonik" dalam Sains pada tahun 2014, mereka menunjukkan bagaimana metamaterial yang direka dengan teliti dapat melaksanakan operasi matematik pada profil gelombang yang memikirkannya, seperti mencari derivatif pertama atau kedua.

Sekarang, Engheta dan pasukannya telah melakukan eksperimen fizikal yang mengesahkan teori ini dan memperluasnya untuk menyelesaikan persamaan.

"Peranti kami mengandungi satu blok bahan dielektrik yang mempunyai pengedaran lubang udara yang sangat spesifik," kata Engheta. "Pasukan kami suka menyebutnya 'keju Swiss.'"

Bahan keju Switzerland adalah sejenis plastik polistirena; Bentuknya yang rumit diukir oleh mesin pengilangan CNC.

"Mengendalikan interaksi gelombang elektromagnet dengan metastruktur keju Swiss ini adalah kunci untuk menyelesaikan persamaan," kata Estakhri. "Apabila sistem dipasang dengan betul, apa yang anda keluar dari sistem adalah penyelesaian kepada persamaan penting."

"Struktur ini," kata Edwards, "dihitung melalui proses pengiraan yang dikenali sebagai 'reka bentuk songsang,' yang boleh digunakan untuk mencari bentuk yang tidak dipikirkan oleh manusia."

Corak

Corak kawasan berongga di keju Switzerland ditentukan untuk menyelesaikan persamaan integral dengan "kernel" yang diberikan, bahagian persamaan yang menggambarkan hubungan antara dua pembolehubah. Kelas umum persamaan integral sedemikian, yang dikenali sebagai "Persamaan integral fredholm jenis kedua," adalah cara umum untuk menerangkan fenomena fizikal yang berbeza dalam pelbagai bidang saintifik. Persamaan pra-set boleh diselesaikan untuk sebarang input sewenang-wenang, yang diwakili oleh fasa dan magnitud gelombang yang diperkenalkan ke dalam peranti.

"Sebagai contoh, jika anda cuba merancang akustik dewan konsert, anda boleh menulis persamaan penting di mana input mewakili sumber bunyi, seperti kedudukan penceramah atau instrumen, serta bagaimana mereka bermain dengan kuat. Bahagian lain dari persamaan itu akan mewakili geometri bilik dan bahannya terbuat dari tembok. Menyelesaikan persamaan itu akan memberikan kelantangan pada titik yang berbeza di dewan konsert. "

Persamaan integral yang menggambarkan hubungan antara sumber bunyi, bentuk bilik dan kelantangan di lokasi tertentu, ciri bilik - sifat bentuk dan bahan dindingnya - boleh diwakili oleh kernel persamaan. Ini adalah bahagian penyelidik Kejuruteraan Penn yang dapat mewakili secara fizikal, melalui susunan lubang udara yang tepat dalam keju Swiss metamaterial mereka.

"Sistem kami membolehkan anda menukar input yang mewakili lokasi sumber bunyi dengan mengubah sifat gelombang yang anda hantar ke dalam sistem," kata Engheta, "tetapi jika anda mahu menukar bentuk bilik, sebagai contoh, anda perlu membuat kernel baru. "

Para penyelidik menjalankan percubaan mereka dengan gelombang mikro; oleh itu, peranti mereka adalah kira-kira dua kaki persegi, atau kira-kira lapan panjang gelombang lebar dan empat panjang gelombang panjang.

"Walaupun pada tahap ini bukti-konsep, peranti kami sangat cepat berbanding dengan elektronik," kata Engheta. "Dengan ketuhar gelombang mikro, analisis kami menunjukkan bahawa penyelesaian boleh diperolehi dalam beratus-ratus nanodetik, dan apabila kami mengambilnya ke optik, kelajuan akan berada dalam picosekon."

Saiz peranti bukti-konsep adalah berkadaran dengan gelombang mikro gelombang mikro, dan dipilih untuk membuat corak keju Switzerland lebih mudah.

Meningkatkan konsep ke skala di mana ia boleh beroperasi pada gelombang cahaya dan ditempatkan pada microchip tidak hanya akan menjadikan mereka lebih praktikal untuk pengkomputeran, ia akan membuka pintu kepada teknologi lain yang membolehkan mereka menjadi lebih seperti komputer digital pelbagai guna yang pertama membuat pengkomputeran analog usang dekad yang lalu.

"Kami boleh menggunakan teknologi di sebalik CD yang boleh tulis semula untuk membuat corak keju Swiss baru seperti yang diperlukan," kata Engheta. "Beberapa hari nanti anda boleh mencetak komputer analog yang boleh dikonfigurasi semula di rumah!"

Penyelidikan ini disokong oleh Pejabat Penyelidikan Asas Penolong Setiausaha Pertahanan untuk Penyelidikan dan Kejuruteraan melalui program Fellowship Vannevar Bush Fellowship dan Pejabat Penyelidikan Tentera Laut melalui Grant N00014-16-1-2029.