光学和光子学

超材料计算机求解电磁波编码的积分方程

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-13 13:49

美国研究人员已使用超材料通过将编码后的数据转换为电磁波来解决数学问题。研究人员认为,他们的新型模拟计算范例比传统的数字计算机具有更多优势,并且正在努力使其与传统的硅光子器件兼容。 超材料是合成的复合材料,其结构赋予其特定的特性(例如负折射率),这是天然材料中罕见或不存在的

  美国研究人员已使用超材料通过将编码后的数据转换为电磁波来解决数学问题。研究人员认为,他们的新型模拟计算范例比传统的数字计算机具有更多优势,并且正在努力使其与传统的硅光子器件兼容。

超材料计算机求解电磁波编码的积分方程

  超材料是合成的复合材料,其结构赋予其特定的特性(例如负折射率),这是天然材料中罕见或不存在的。为了设计光学超材料,研究人员通常依赖于数学的一个分支,称为转换光学,它可以转换空间坐标以控制光通过材料的路径。一个著名的例子是隐形斗篷,其中使用转换光学器件控制斗篷中的光线折射,以使入射光在隐身物体周围平稳传播,而不是散射。结果是观察者将得出结论,即隐蔽的物体不存在。

  2014年,宾夕法尼亚大学纳德·恩加塔(Nader Engheta)领导的研究人员提出了变换光学的另一种可能用途。他们指出,电磁波在幅度和相位上对数学函数进行编码-两者都可以通过超材料转换。这导致团队建议超材料可以对这些功能执行数学运算。

  积分方程

  现在,恩格塔(Engheta)和同事们设计了一种超材料,它不仅可以执行数学运算,还可以找到一类重要的方程的解,这些方程称为积分方程。

  Engheta解释说:“在几乎任何科学和工程领域,您都可以描述使用积分方程式后的现象的数值。” 因此,求解这些方程对于建模多种现象至关重要。但是,代数解通常是不可能的,因此研究人员通常必须依靠计算分析。这涉及重新安排方程式,以便未知解出现在两侧。从任意点开始,然后在反馈循环中重复进行计算,直到获得正确的解。此时,执行方程式所描述的数学运算不会更改值,因此解保持稳定。

  恩格塔(Engheta)解释说:“这需要时间。”这就是为什么寻找数值模拟通常可能需要大量的计算资源的原因。

  光速

  研究人员认为,超材料可以比传统的数字工艺提供几个重要的优势。好处之一是计算过程可能非常快,因为电磁波以光速穿过超材料。同样,同一个超材料可以同时处理多个波:“波可以互相穿过,从而为您提供一个并行系统,” Engheta解释说。

  为了检验他们的想法,研究人员从精心设计的电介质设计了超材料,以执行与三个不同积分方程有关的数学转换。电磁波如何与超材料相互作用的计算模型表明,假设系统提供的解应与从传统数值方法获得的解非常吻合。此外,计算模型表明,超材料系统可以非常快地达到正确的解决方案。

  该团队还在实验室中为一个积分方程创建了超材料(参见图)。它由带图案的低损耗聚苯乙烯制成,设计用于微波。该团队发现其性能与计算预测非常吻合。

  将来,研究人员的目标是从二氧化硅电介质构建超材料,这将使与标准硅光子学器件的集成变得更加容易。二氧化硅介电超材料还可以将电信波长的红外光用于执行计算。这意味着未来的设备可能会比微波原型小得多。

  该团队还希望将来能够开发可重构的元数据,从而有效地创建一种可重构的模拟计算机。不过,恩格塔强调说,目前的平台无法提供替代真正计算机的条件逻辑的前景,在这种情况下,一种计算取决于另一种计算的结果:“我们这里没有任何光学逻辑,”他说。 。

  纽约城市大学的安德里亚·阿鲁(AndreaAlù)参与了2014年的研究,并继续独立研究基于计算的电磁波。他赞扬恩格塔(Engheta)和同事将最初的想法变为现实。“我发现这很有趣,因为可以解决这个问题并不容易,特别是考虑到存在的所有公差。”

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