El campo de los metamateriales implica el diseño de estructuras compuestas complicadas, algunas de las cuales pueden manipular las ondas electromagnéticas de formas que son imposibles en los materiales naturales.
Para Nader Engheta de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, uno de los objetivos más importantes en este campo ha sido diseñar metamateriales que puedan resolver ecuaciones. Este "cálculo fotónico" funcionaría codificando parámetros en las propiedades de unonda electromagnética entrante y enviarla a través de un dispositivo metamaterial; una vez dentro, la estructura única del dispositivo manipularía la onda de tal manera que saldría codificada con la solución a una ecuación integral preestablecida para esa entrada arbitraria.
En un artículo publicado recientemente en ciencia , Engheta y su equipo han demostrado dicho dispositivo por primera vez.
Su experimento de prueba de concepto se realizó con microondas, ya que sus largas longitudes de onda permitieron un dispositivo de macroescala más fácil de construir. Sin embargo, los principios detrás de sus hallazgos pueden reducirse a ondas de luz, eventualmente encajando enun microchip
Dichos dispositivos metamateriales funcionarían como computadoras analógicas que funcionan con luz, en lugar de electricidad. Podrían resolver ecuaciones integrales, problemas ubicuos en todas las ramas de la ciencia y la ingeniería, órdenes de magnitud más rápidas que sus contrapartes digitales, mientras usan menos energía.
Engheta, H. Nedwill Ramsey Profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, realizó el estudio junto con los miembros del laboratorio Nasim Mohammadi Estakhri y Brian Edwards.
Este enfoque tiene sus raíces en la computación analógica. Las primeras computadoras analógicas resolvieron problemas matemáticos utilizando elementos físicos, como reglas de deslizamiento y conjuntos de engranajes, que fueron manipulados de manera precisa para llegar a una solución. A mediados del siglo XX, las computadoras analógicas electrónicas reemplazaron a las mecánicas, con una serie de resistencias, condensadores, inductores y amplificadores que reemplazaron los mecanismos de sus predecesores
Tales computadoras eran de última generación, ya que podían resolver grandes tablas de información de una sola vez, pero estaban limitadas a la clase de problemas que estaban prediseñadas para manejar. El advenimiento de las computadoras digitales programables y reconfigurables,comenzando con ENIAC, construido en Penn en 1945, los hizo obsoletos.
A medida que se desarrolló el campo de los metamateriales, Engheta y su equipo idearon una forma de llevar los conceptos detrás de la computación analógica al siglo XXI. Publicando un esquema teórico para el "cálculo fotónico" en ciencia en 2014, mostraron cómo un metamaterial cuidadosamente diseñado podría realizar operaciones matemáticas en el perfil de una onda que lo pensaba, como encontrar su primera o segunda derivada.
Ahora, Engheta y su equipo han realizado experimentos físicos validando esta teoría y expandiéndola para resolver ecuaciones.
"Nuestro dispositivo contiene un bloque de material dieléctrico que tiene una distribución muy específica de agujeros de aire", dice Engheta. "A nuestro equipo le gusta llamarlo 'queso suizo'".
El material de queso suizo es un tipo de plástico de poliestireno; su forma intrincada está tallada por una fresadora CNC.
"Controlar las interacciones de las ondas electromagnéticas con esta metaestructura de queso suizo es la clave para resolver la ecuación", dice Estakhri. "Una vez que el sistema se ensambla correctamente, lo que se obtiene del sistema es la solución a una ecuación integral".
"Esta estructura", agrega Edwards, "se calculó a través de un proceso computacional conocido como 'diseño inverso', que se puede utilizar para encontrar formas que ningún humano pensaría en intentar".
El patrón de regiones huecas en el queso suizo está predeterminado para resolver una ecuación integral con un "núcleo" dado, la parte de la ecuación que describe la relación entre dos variables. Esta clase general de ecuaciones integrales, conocida como "Fredholm"ecuaciones integrales del segundo tipo "es una forma común de describir diferentes fenómenos físicos en una variedad de campos científicos. La ecuación preestablecida se puede resolver para cualquier entrada arbitraria, que está representada por las fases y magnitudes de las ondasintroducido en el dispositivo.
"Por ejemplo, si estaba tratando de planificar la acústica de una sala de conciertos, podría escribir una ecuación integral donde las entradas representan las fuentes del sonido, como la posición de los altavoces o instrumentos, así como qué tan alto sonjugar. Otras partes de la ecuación representarían la geometría de la sala y el material del que están hechas sus paredes. Resolver esa ecuación te daría el volumen en diferentes puntos de la sala de conciertos ".
En la ecuación integral que describe la relación entre las fuentes de sonido, la forma de la sala y el volumen en ubicaciones específicas, las características de la sala, las propiedades de forma y material de sus paredes, pueden representarse mediante el núcleo de la ecuación.la parte que los investigadores de Penn Engineering pueden representar de manera física, a través de la disposición precisa de los agujeros de aire en su metamaterial queso suizo.
"Nuestro sistema le permite cambiar las entradas que representan las ubicaciones de las fuentes de sonido al cambiar las propiedades de la onda que envía al sistema", dice Engheta, "pero si desea cambiar la forma de la habitación, porejemplo, tendrá que hacer un nuevo núcleo ".
Los investigadores realizaron su experimento con microondas; como tal, su dispositivo tenía aproximadamente dos pies cuadrados, o aproximadamente ocho longitudes de onda de ancho y cuatro longitudes de onda de largo.
"Incluso en esta etapa de prueba de concepto, nuestro dispositivo es extremadamente rápido en comparación con la electrónica", dice Engheta. "Con las microondas, nuestro análisis ha demostrado que se puede obtener una solución en cientos de nanosegundos, y una vez que la tomamospara la óptica, la velocidad estaría en picosegundos "
Reducir el concepto a la escala en la que podría operar en ondas de luz y colocarse en un microchip no solo los haría más prácticos para la informática, sino que también abriría las puertas a otras tecnologías que les permitirían ser más como el multipropósitocomputadoras digitales que hicieron obsoleta la computación analógica hace décadas.
"Podríamos usar la tecnología detrás de los CD regrabables para crear nuevos patrones de queso suizo según sea necesario", dice Engheta. "¡Algún día podrá imprimir su propia computadora analógica reconfigurable en casa!"
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Básica del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería a través de su programa de Becas de Facultad Vannevar Bush y por la Oficina de Investigación Naval a través de la Subvención N00014-16-1-2029.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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