Kỹ sư Penn trình diễn siêu vật liệu có thể giải phương trình

Nader Engheta, trung tâm, cùng với các thành viên phòng thí nghiệm Brian Edwards và Nasim Mohammadi Estakhri đặt ra với thiết bị siêu vật liệu giải phương trình của họ. Hình dạng và mô hình của các lỗ khí được thiết kế để hoạt động với lò vi sóng. Các nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng cho sóng hồng ngoại hoặc sóng ánh sáng khả kiến, điều này sẽ cho phép thiết bị được thu nhỏ lại để vừa với một vi mạch. (Ảnh: Eric Sucar)

Lĩnh vực siêu vật liệu liên quan đến việc thiết kế các cấu trúc phức tạp, phức tạp, một số trong đó có thể điều khiển sóng điện từ theo những cách không thể có trong các vật liệu tự nhiên.

Đối với Nader Engheta thuộc Đại học Pennsylvania, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng, một trong những mục tiêu cao hơn trong lĩnh vực này là thiết kế các siêu vật liệu có thể giải các phương trình. Công cụ tính toán quang tử này có thể hoạt động bằng cách mã hóa các tham số vào các thuộc tính của sóng điện từ đến và gửi nó qua một thiết bị siêu vật liệu; một khi bên trong, cấu trúc duy nhất của thiết bị sẽ điều khiển sóng theo cách mà nó sẽ thoát được mã hóa với giải pháp thành một phương trình tích phân đặt trước cho đầu vào tùy ý đó.

Trong một bài báo được xuất bản gần đây trên Science, Engheta và nhóm của ông đã lần đầu tiên trình diễn một thiết bị như vậy.

Thí nghiệm bằng chứng về khái niệm của họ đã được thực hiện với sóng vi ba, vì bước sóng dài của chúng cho phép một thiết bị quy mô vĩ mô dễ xây dựng hơn. Tuy nhiên, các nguyên tắc đằng sau những phát hiện của họ có thể được thu nhỏ lại thành sóng ánh sáng, cuối cùng phù hợp với một vi mạch.

Các thiết bị siêu vật liệu như vậy sẽ hoạt động như các máy tính tương tự hoạt động với ánh sáng, thay vì điện. Họ có thể giải các phương trình tích phân - các vấn đề phổ biến ở mọi ngành khoa học và kỹ thuật - các đơn đặt hàng có cường độ nhanh hơn so với các đối tác kỹ thuật số của chúng, trong khi sử dụng ít năng lượng hơn.

Engheta, Giáo sư H. Nedwill Ramsey thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Hệ thống, đã tiến hành nghiên cứu cùng với các thành viên phòng thí nghiệm Nasim Mohammadi Estakhri và Brian Edwards.

Cách tiếp cận này có nguồn gốc từ điện toán tương tự. Các máy tính tương tự đầu tiên đã giải quyết các vấn đề toán học bằng cách sử dụng các yếu tố vật lý, chẳng hạn như quy tắc trượt và bộ bánh răng, được chế tác theo những cách chính xác để đi đến một giải pháp. Vào giữa thế kỷ 20, các máy tính tương tự điện tử đã thay thế các máy cơ, với hàng loạt điện trở, tụ điện, cuộn cảm và bộ khuếch đại thay thế cho các đồng hồ tiền nhiệm của họ.

Những máy tính như vậy là tối tân, vì chúng có thể giải quyết tất cả các bảng thông tin lớn, nhưng bị giới hạn ở loại vấn đề mà chúng được thiết kế sẵn để xử lý. Sự ra đời của các máy tính kỹ thuật số có thể cấu hình lại, bắt đầu với ENIAC, được xây dựng tại Penn năm 1945, khiến chúng trở nên lỗi thời.

Khi lĩnh vực siêu vật liệu phát triển, Engheta và nhóm của ông đã nghĩ ra cách đưa các khái niệm đằng sau điện toán tương tự vào thế kỷ 21. Xuất bản một phác thảo lý thuyết cho tính toán photonic của Hồi trong năm 2014, họ đã cho thấy một siêu vật liệu được thiết kế cẩn thận có thể thực hiện các hoạt động toán học trên hồ sơ của sóng truyền như thế nào, chẳng hạn như tìm đạo hàm thứ nhất hoặc thứ hai của nó.

Bây giờ, Engheta và nhóm của ông đã thực hiện các thí nghiệm vật lý xác nhận lý thuyết này và mở rộng nó để giải các phương trình.

Thiết bị của chúng tôi chứa một khối vật liệu điện môi có sự phân bố các lỗ khí rất đặc biệt, theo ông Eng Engeta. Đội ngũ của chúng tôi thích gọi nó là cheese pho mát Thụy Sĩ.

Nguyên liệu phô mai Thụy Sĩ là một loại nhựa polystyrene; hình dạng phức tạp của nó được chạm khắc bằng máy phay CNC.

Kiểm soát sự tương tác của sóng điện từ với cơ sở hạ tầng phô mai Thụy Sĩ này là chìa khóa để giải phương trình, theo ông Est Estri. Sau khi hệ thống được lắp ráp đúng cách, những gì bạn nhận được từ hệ thống là giải pháp cho một phương trình tích phân.

Cấu trúc này, theo Ed Edwards nói thêm, đã được tính toán thông qua một quá trình tính toán được gọi là thiết kế nghịch đảo, có thể được sử dụng để tìm các hình dạng mà không ai nghĩ sẽ thử.

Mô hình phức tạp của phô mai Thụy Sĩ và vật liệu nhựa trong các thiết bị dần dần uốn cong hình dạng của sóng tới khi nó đi qua chúng.

Mô hình của các vùng rỗng trong phô mai Thụy Sĩ được xác định trước để giải phương trình tích phân với một hạt nhân đã cho, một phần của phương trình mô tả mối quan hệ giữa hai biến. Lớp chung này của các phương trình tích phân như vậy, được gọi là phương trình tích phân của loại Fred Fredholm thuộc loại thứ hai, là một cách phổ biến để mô tả các hiện tượng vật lý khác nhau trong nhiều lĩnh vực khoa học. Phương trình đặt trước có thể được giải cho bất kỳ đầu vào tùy ý nào, được biểu thị bằng các pha và cường độ của sóng được đưa vào thiết bị.

Ví dụ, nếu bạn đang cố gắng lên kế hoạch cho âm thanh của phòng hòa nhạc, bạn có thể viết một phương trình tích phân trong đó các đầu vào đại diện cho các nguồn âm thanh, chẳng hạn như vị trí của loa hoặc nhạc cụ, cũng như mức độ chúng phát ra. Các phần khác của phương trình sẽ đại diện cho hình học của căn phòng và vật liệu các bức tường của nó được làm bằng. Giải phương trình đó sẽ cho bạn âm lượng tại các điểm khác nhau trong phòng hòa nhạc.

Trong phương trình tích phân mô tả mối quan hệ giữa các nguồn âm thanh, hình dạng phòng và âm lượng tại các vị trí cụ thể, các tính năng của căn phòng - hình dạng và tính chất vật liệu của các bức tường của nó - có thể được biểu diễn bằng hạt nhân Phương trình. Đây là phần mà các nhà nghiên cứu của Penn Engineering có thể thể hiện một cách vật lý, thông qua sự sắp xếp chính xác các lỗ khí trong phô mai Thụy Sĩ siêu vật liệu của họ.

Hệ thống của chúng tôi cho phép bạn thay đổi các yếu tố đầu vào đại diện cho vị trí của các nguồn âm thanh bằng cách thay đổi các thuộc tính của sóng bạn gửi vào hệ thống, ví dụ, Eng Engeta, nhưng nếu bạn muốn thay đổi hình dạng của phòng, ví dụ, bạn sẽ phải tạo một kernel mới.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm của họ với lò vi sóng; như vậy, thiết bị của họ rộng khoảng hai feet vuông, hoặc rộng khoảng tám bước sóng và dài bốn bước sóng.

Ngay cả ở giai đoạn thử nghiệm khái niệm này, thiết bị của chúng tôi cực kỳ nhanh so với thiết bị điện tử, theo ông Eng Engeta. Với sóng vi ba, phân tích của chúng tôi đã chỉ ra rằng một giải pháp có thể thu được trong hàng trăm nano giây và một khi chúng ta đưa nó vào quang học, tốc độ sẽ tính bằng picosecond.

Kích thước của thiết bị Proof-of-Concept tỷ lệ thuận với bước sóng của vi sóng, và được chọn để chế tạo mô hình phô mai Thụy Sĩ dễ dàng hơn.

Thu nhỏ khái niệm xuống quy mô nơi nó có thể hoạt động trên sóng ánh sáng và được đặt trên một vi mạch không chỉ giúp chúng thực tế hơn cho điện toán, nó sẽ mở ra cánh cửa cho các công nghệ khác cho phép chúng giống như máy tính kỹ thuật số đa năng lần đầu tiên làm cho điện toán tương tự trở nên lỗi thời trong nhiều thập kỷ trước.

Chúng tôi có thể sử dụng công nghệ đằng sau các đĩa CD có thể ghi lại để tạo ra các mẫu phô mai mới của Thụy Sĩ khi chúng cần, họ Engheta nói. Một ngày nào đó bạn có thể in máy tính tương tự có thể cấu hình lại tại nhà!

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Cơ bản của Trợ lý Bộ trưởng Bộ Quốc phòng về Nghiên cứu và Kỹ thuật thông qua chương trình Học bổng Khoa Vannevar Bush và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân thông qua Grant N00014 2116112020.