Trucurile ușoare ale materialelor se pot extinde în curând la matematică

Structurile minuscule care folosesc unde de lumină pentru a efectua operații matematice complexe ultrarapide ar putea fi construite din materiale disponibile, sugerează o nouă simulare pe computer.

Studiul ar putea duce în curând la noi metamateriale, materiale create de om care manipulează lumina în moduri surprinzătoare. În experimentele anterioare, oamenii de știință au folosit metamateriale pentru a crea mantii de invizibilitate care îndoaie undele de lumină în jurul obiectelor (SN 27/08/11, str. 16). Nader Engheta, inginer electrician la Universitatea din Pennsylvania din Philadelphia, a luat metamaterialele într-o nouă direcție în 2012, când el și colegii au realizat elemente de circuit care procesează undele luminoase în modul în care rezistențele și condensatorii procesează curenții electrici. Astfel de elemente ar putea fi mult mai mici și mai rapide decât părțile curente ale circuitului electric.

În noul studiu, Engheta și colegii au conceput materiale care să folosească lumina pentru a face calcule mai sofisticate, operații matematice familiare oricui a studiat calculul. Scopul cercetătorilor a fost de a proiecta o structură care să transforme în mod previzibil forma unui val de lumină. Într-un astfel de calcul, unda de ieșire ar avea forma pantei undei de intrare, cunoscută și sub numele de derivată.

Pentru a arăta cum se realizează această vrăjitorie matematică, cercetătorii au construit o simulare pe computer a unei structuri formate din blocuri alternative de câțiva micrometri grosime de siliciu pur și oxid de zinc care conțineau cantități mici de aluminiu.

Oamenii de știință au ales materialele datorită modului în care interacționează cu lumina infraroșie. În simulările lor, cercetătorii au variat lățimile blocurilor și straturile stivuite ale structurilor cu diferite cantități de spațiu între ele. Apoi au studiat modul în care o undă de lumină infraroșie s-a schimbat pe măsură ce a interacționat cu materialele. Oamenii de știință raportează în 10 ianuarie Ştiinţă că puteau controla cu precizie forma undei de ieșire.

Structuri precum cele simulate de echipa ar putea recunoaște modele în imagini de sute sau chiar de mii de ori mai rapid decât tehnologia actuală de ultimă generație, spune Engheta. În simularea lor, cercetătorii demonstrează acest potențial trimițând prin materialul lor o undă de lumină cu forma orizontului din Austin, Texas. Ieșirea este o undă de lumină cu vârfuri ascuțite unde marginile clădirilor apar în imaginea originală.

Noul studiu este „o demonstrație foarte atrăgătoare a utilizării metamaterialelor în calculul analogic”, spune Massimiliano Di Ventra, fizician la Universitatea din California, San Diego. Un computer tipic, care efectuează calcule digitale, ar codifica o undă ca 0 și 1 înainte de a face o operație. Abordarea lui Engheta ar putea face calculul mult mai rapid sărind peste acel pas. Dar Di Ventra adaugă că o astfel de tehnologie va completa mai degrabă decât să înlocuiască logica digitală.

Engheta spune că în următoarele șase luni, echipa sa va începe să construiască structurile din simulări.