Pennov inženjeri demonstriraju metamaterijal koji može riješiti jednadžbe

Nader Engheta, iz centra, zajedno s članovima laboratorija Brianom Edwardsom i Nasimom Mohammadi Estakhrijem poziraju sa svojim metamaterijalnim uređajem za rješavanje jednadžbi. Oblik i oblik zračnih rupa dizajniran je za rad s mikrovalnim pećnicama. Isti se principi mogu primijeniti na infracrvene ili vidljive svjetlosne valove, što će omogućiti da se uređaj smanji na mikročip. (Fotografije: Eric Sucar)

Polje metamaterijala uključuje projektiranje složenih, složenih struktura, od kojih neke mogu manipulirati elektromagnetskim valovima na načine koji su nemogući u prirodnim materijalima.

Za Nader Engheta sa Tehničke i primijenjene znanosti Sveučilišta u Pennsylvaniji, jedan od najviših ciljeva na ovom polju bio je dizajniranje metamaterijala koji mogu riješiti jednadžbe. Ovaj "fotonski račun" funkcionirao bi kodiranjem parametara u svojstva dolaznog elektromagnetskog vala i slanjem ga putem metamaterijalnog uređaja; Jednom unutra, jedinstvena struktura uređaja manipulirala bi valom na taj način da bi izašla kodirana s rješenjem u unaprijed postavljenu integralnu jednadžbu za taj proizvoljni ulaz.

U radu koji je nedavno objavljen u časopisu Science, Engheta i njegov tim prvi su put demonstrirali takav uređaj.

Njihov eksperiment s dokazom koncepta proveden je s mikrotalasnim pećnicama, jer su njihove velike valne duljine omogućile lakši konstrukciju uređaja s makro-skali. Međutim, načela koja stoje iza njihovih nalaza mogu se spustiti na svjetlosne valove, na kraju pristajući na mikročip.

Takvi metamaterijalni uređaji funkcionirali bi kao analogna računala koja rade sa svjetlošću, a ne s električnom energijom. Mogli su riješiti integralne jednadžbe - sveprisutne probleme u svakoj grani znanosti i inženjerstva - veličine veličine brže od svojih digitalnih kolega, koristeći pritom manje energije.

Engheta, H. Nedwill Ramsey, profesor na katedri za elektrotehniku ​​i sistemsko inženjerstvo, proveo je studiju zajedno sa članovima laboratorija Nasimom Mohammadi Estakhrijem i Brianom Edwardsom.

Ovaj pristup ima svoje korijene u analognom računanju. Prva analogna računala rješavala su matematičke probleme pomoću fizičkih elemenata, poput slide pravila i skupa zupčanika, koji su se manipulirali preciznim načinima postizanja rješenja. Sredinom 20. stoljeća elektronička analogna računala zamijenila su mehanička, s nizom otpornika, kondenzatora, induktora i pojačala koji su zamijenili sat rada svojih prethodnika.

Takva su računala bila vrhunska, jer su mogla odjednom riješiti velike tablice informacija, ali bila su ograničena na klasu problema s kojima su prethodno osmišljeni za rješavanje. Pojava rekonfigurabilnih, programibilnih digitalnih računala, počevši od ENIAC-a, izgrađenog u Pennu 1945. godine, učinila ih je zastarjelima.

Kako se polje metamaterijala razvijalo, Engheta i njegov tim osmislili su način kako koncepte iza analognog računanja uvesti u 21. stoljeće. Objavljujući teorijski okvir za „fotonsko računanje“ u Scienceu 2014. godine, pokazali su kako pažljivo osmišljeni metamaterijal može izvoditi matematičke operacije na profilu vala koji prolazi pomislivši, poput pronalaska svoje prve ili druge izvedenice.

Sada su Engheta i njegov tim izvodili fizičke eksperimente koji potvrđuju ovu teoriju i proširivši je kako bi riješili jednadžbe.

"Naš uređaj sadrži blok dielektričnog materijala koji ima vrlo specifičnu raspodjelu rupa za zrak", kaže Engheta. "Naš tim voli to nazvati" švicarski sir. "

Švicarski materijal sira je vrsta polistirenske plastike; njegov zamršeni oblik urezao je CNC glodalica.

"Kontrola interakcija elektromagnetskih valova s ​​ovom švicarskom metastrukturom sira je ključ za rješenje jednadžbe", kaže Estakhri. "Jednom kada je sustav pravilno sastavljen, ono što ćete izaći iz sustava je rješenje integralne jednadžbe."

"Ta je struktura," dodaje Edwards, "izračunata kroz računski proces poznat kao" obrnuti dizajn ", koji se može koristiti za pronalaženje oblika koje niti jedan čovjek ne bi pomislio da pokušava."

Komplicirani uzorak „švicarskog sira“ od plastičnog materijala i rupa za zrak u uređaju postupno poprima oblik dolaznog vala dok prolazi kroz njih.

Obrazac šupljih regija u švicarskom siru unaprijed je određen kako bi se riješila integralna jednadžba s danom „jezgrom“, dijelom jednadžbe koji opisuje odnos između dvije varijable. Ova opća klasa takvih integralnih jednadžbi, poznata kao "Fredholmove integralne jednadžbe druge vrste", uobičajen je način opisivanja različitih fizičkih pojava u različitim znanstvenim poljima. Unaprijed postavljena jednadžba može se riješiti za bilo koji proizvoljni ulaz, koji je predstavljen fazama i veličinama valova koji se uvode u uređaj.

"Na primjer, ako pokušavate planirati akustiku koncertne dvorane, mogli biste napisati integralnu jednadžbu gdje ulazi predstavljaju izvore zvuka, kao što su položaj zvučnika ili instrumenata, kao i glasno sviranje. Ostali dijelovi jednadžbe predstavljali bi geometriju prostorije i materijal od kojeg su izrađeni zidovi. Rješavanje te jednadžbe dalo bi vam glasnoću u različitim točkama u koncertnoj dvorani. "

U integralnoj jednadžbi koja opisuje odnos između izvora zvuka, oblika prostorije i jačine zvuka na određenim mjestima, značajke prostorije - oblik i materijalna svojstva zidova - mogu se predstaviti jezgrom jednadžbe. Ovo je dio koji istraživači Penn inženjeringa mogu predstaviti na fizički način, preciznim rasporedom rupa za zrak u svom metamaterijalnom švicarskom siru.

"Naš sustav vam omogućuje da promijenite ulaze koji predstavljaju lokacije izvora zvuka mijenjajući svojstva vala koji šaljete u sustav", kaže Engheta, "ali ako želite, na primjer, promijeniti oblik prostorije, morat ćete napraviti novu kernel. "

Istraživači su proveli eksperiment s mikrovalnim pećnicama; kao takav, njihov je uređaj imao otprilike dva kvadratna metra, odnosno oko osam valnih duljina i četiri valne duljine.

"Čak i u ovoj fazi provjere koncepta, naš je uređaj izuzetno brz u usporedbi s elektronikom", kaže Engheta. "Pomoću mikrotalasa naša je analiza pokazala da se rješenje može dobiti u stotinama nanosekundi, a kad ga jednom povežemo s optikom, brzina bi bila u pikosekundi."

Veličina uređaja provjerenog koncepta proporcionalna je valnoj duljini mikrotalasa, a odabrano je radi lakše izrade uzorka švicarskog sira.

Smanjivanje koncepta do razmjera u kojem bi mogao djelovati na svjetlosnim valovima i biti postavljen na mikročip, ne samo da bi ih učinili praktičnijima za računarstvo, već bi otvorio i vrata drugim tehnologijama koje bi im omogućile da više nalikuju višenamjenskim digitalnim računalima ono prvo postalo analogno računalstvo zastarjelo prije desetljeća.

"Mogli bismo upotrijebiti tehnologiju koja stoji iza upisivih CD-ova kako bismo napravili nove uzorke švicarskog sira prema potrebi", kaže Engheta. "Neki dan ćete možda moći ispisati vlastito analogno računalo koje se može konfigurirati kod kuće!"

Istraživanje je podržao Ured za temeljna istraživanja pomoćnika ministra obrane za istraživanje i inženjering kroz program stipendiranja Vannevar Bush Fakulteta i Ured za pomorska istraživanja putem grantova N00014–16–1–2029.