El campo de los metamateriales implica diseñar complicados, estructuras compuestas, algunos de los cuales pueden manipular ondas electromagnéticas de formas que son imposibles en materiales naturales.

Para Nader Engheta, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, Uno de los objetivos más elevados en este campo ha sido diseñar metamateriales que puedan resolver ecuaciones. Este "cálculo fotónico" funcionaría codificando parámetros en las propiedades de una onda electromagnética entrante y enviándola 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 Ciencias , Engheta y su equipo han demostrado un dispositivo de este tipo por primera vez.

Su experimento de prueba de concepto se realizó con microondas, ya que sus largas longitudes de onda permitieron un dispositivo a macroescala más fácil de construir. Los principios detrás de sus hallazgos, sin embargo, se puede reducir a ondas de luz, eventualmente encajar en un microchip.

Tales dispositivos de metamaterial funcionarían como computadoras analógicas que operan con luz, en lugar de electricidad. Podían resolver ecuaciones integrales, problemas ubicuos en todas las ramas de la ciencia y la ingeniería, órdenes de magnitud más rápido que sus contrapartes digitales. mientras usa 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 cálculo 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 serie de resistencias, condensadores, inductores y amplificadores que reemplazan los mecanismos de relojería de sus predecesores.

Tales computadoras eran de última generación, ya que podían resolver grandes tablas de información a la vez, pero se limitaron a la clase de problemas para los que fueron prediseñados. El advenimiento de lo reconfigurable, ordenadores digitales programables, 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. Publicar un esquema teórico para el "cálculo fotónico" en Ciencias en 2014, demostraron cómo un metamaterial cuidadosamente diseñado podía realizar operaciones matemáticas en el perfil de una ola que pasaba por él, 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 orificios de aire, "Dice Engheta." A nuestro equipo le gusta llamarlo 'queso suizo' ".

El material de queso suizo es una especie de plástico de poliestireno; su intrincada forma 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 esté correctamente ensamblado, lo que se obtiene del sistema es la solución de una ecuación integral ".

"Esta estructura, "Edwards agrega, "se calculó mediante un proceso computacional conocido como 'diseño inverso, 'que se puede usar para encontrar formas que ningún humano pensaría en probar ".

El patrón de regiones huecas en el queso suizo está predeterminado para resolver una ecuación integral con un "núcleo, "la parte de la ecuación que describe la relación entre dos variables. Esta clase general de ecuaciones integrales, conocido como "ecuaciones integrales de Fredholm 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 están representados por las fases y magnitudes de las ondas que se introducen en el dispositivo.

"Por ejemplo, si estuviera intentando 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 lo alto que tocan. Otras partes de la ecuación representarían la geometría de la habitación 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 fuentes de sonido, la forma de la habitación y el volumen en ubicaciones específicas, las características de la habitación, la forma y las propiedades materiales de sus paredes, se pueden representar mediante el núcleo de la ecuación. Esta es la parte que los investigadores de Penn Engineering pueden representar de manera física, a través de la disposición precisa de los orificios de ventilación en su queso suizo metamaterial.

"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, "Engheta dice, "pero si quieres cambiar la forma de la habitación, por ejemplo, tendrá que hacer un nuevo kernel ".

Los investigadores realizaron su experimento con microondas; como tal, su dispositivo era de aproximadamente dos pies cuadrados, o alrededor de 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, "Engheta dice". Con microondas, Nuestro análisis ha demostrado que se puede obtener una solución en cientos de nanosegundos, y una vez que lo llevamos a la óptica, la velocidad estaría en picosegundos ".

Reducir el concepto a la escala en la que podría operar con ondas de luz y colocarse en un microchip no solo los haría más prácticos para la informática, abriría las puertas a otras tecnologías que les permitirían parecerse más a las computadoras digitales multipropósito que hicieron obsoleta la computación analógica por primera vez hace décadas.

"Podríamos utilizar 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! "