Калкулатор от метаматериали ще решава уравнения

При провеждане на оптични експерименти и създаването на различни разработки за военните учените се обръщат към метаматериалите.

Това са необикновени материали с изкуствено зададени свойства. Обикновено те имат сложна вътрешна структура, чиито размери са по-малки от дължината на светлинната вълна.

Благодарение на това те са способни да изкривяват и пренасочват лъчението по несвойствен за обикновените материали начин.

Най-често от подобни материали се конструират така наречените шапки невидимки – поради способността на материала да изменя посоката на светлината обектите, намиращи се в „шапката“ са невидими за външния наблюдател.

Сега уникалните свойства на метаматериалите ще бъдат използвани от физиците за други цели. Надер Енгета, инженер от Пенсилванския университет, и колегите му решили да конструират „калкулатор, изкривяващ светлината“.

Предшествениците на съвременните компютри – аналоговите изчислителни машини, са функционирали с комбинация от електрически и механични свойства.

Аналоговите компютри са били доста ограничени откъм способности поради малкия диапазон достъпни материали. Движещите се части например са били ограничени от размера, който можел да се постигне преди половин век. Но работещите със светлина съвременни метаматериали не са ограничени от нищо. Енгета и екипът му моделирали на компютър такъв материал, който да е способен да изпълнява различни математически функции – от събиране и изваждане до интеграли и диференциални уравнения.

Работата на компютъра от метаматериали е основана на това, че светлинната вълна може да бъде представена във вид на математическа функция на графика – метаматериалът изкривява лъчението по необходимия начин, имитирайки зависимостта на променливите. Например диференциацията на светлината описва наклона на кривата в различни точки, докато интеграцията описва площта под тази крива.

Блок от метаматериали прави изчисления, изменяйки светлинната вълна. Например, ако първоначалната вълна представлява парабола (y=x²), то при преминаване през метаматериала, произвеждащ диференциацията, тя ще дойде във вид на права функция, описвана от уравнението y=2x.

„Светлинната вълна на определена конфигурация след преминаването през блока от метаматериали приема профила на тази функция, която ние очакваме да видим при провеждането на математически изчисления“, пояснява Енгета.

Засега проектът се намира на стадий компютърно моделиране. В най-близко бъдеще учените планират да създадат блок от редуващи се слоеве силиций и алуминий, легирани с цинков оксид. След направата на прототипа може да се каже по-точно ще сработи ли концепцията.

Ако очакванията на изследователите се оправдаят, то подобни устройства ще може да се вграждат например в корпуса на фотообектив, за разпознаване на границите на изображения и идентифициране на образи. Днес тези функции се изпълняват благодарение на компютърни чипове, които анализират данните пиксел по пиксел, а метаматериалът ще може да обхване цялото изображение.

След като публикували статията си в сп. Science, Енгета и екипът му вече са започнали втория етап от разработката. Те се консултират с колеги за други области на приложение на необичайното си произведение.