Los científicos han demostrado que un material 2-D hecho por el hombre llamado metasuperficie puede realizar diferenciación e integración espacial, los dos tipos principales de problemas de cálculo, cuando se ilumina con un rayo láser. Esencialmente, la metasuperficie transforma la forma del perfil de la onda de luz entrante (la entrada) en la forma de su derivada o integral (la salida). El logro requiere un control muy preciso de la luz a nanoescala, específicamente, controlando tanto la amplitud como la fase de la luz reflejada al mismo tiempo.

Los investigadores, Anders Pors, Michael G. Nielsen, y Sergey I. Bozhevolnyi en la Universidad del Sur de Dinamarca, han publicado su artículo sobre la nueva metasuperficie en un número reciente de Nano letras .

Algo inesperado el trabajo se basa en investigaciones recientes sobre computación analógica, que se basa en valores continuos, en lugar de valores incrementales como se usa en la computación digital. La nueva metasuperficie utiliza valores continuos de la fase y amplitud de la luz para realizar las operaciones de cálculo, convirtiéndolo en un ejemplo de computación analógica.

El concepto de computadoras analógicas puede evocar imágenes de reglas de cálculo y otras herramientas anticuadas que fueron reemplazadas por computadoras digitales en las décadas de 1960 y 1970. Pero el año pasado un equipo de investigadores (A. Silva, et al.) presentaron simulaciones que sugieren que los metamateriales pueden realizar tareas computacionales de manera analógica, es decir, mediante el uso de campos ópticos continuos en lugar de bits discretos para representar datos.

Ese trabajo demostró que las metasuperficies tienen la ventaja de ser extremadamente delgadas, órdenes de magnitud más pequeñas que los elementos ópticos convencionales, como lentes voluminosos o placas de ondas. Su delgadez permite potencialmente el diseño de miniaturizados, circuitos ópticos compactos, con la computación analógica como una aplicación única.

En el nuevo estudio, los investigadores de Dinamarca demostraron un enfoque práctico para realizar computación analógica compacta utilizando metasuperficies. En general, Las metasuperficies consisten en una serie de diminutos dispersores metálicos que son más pequeños que la longitud de onda de la luz que pasa a través de ellos.

Aquí, los investigadores utilizaron nanoladrillos de oro como dispersores, colocado encima de un espaciador de dióxido de silicio y una película de oro. Cuando un rayo láser de 800 nm ilumina la metasuperficie, la luz excita los plasmones de la superficie del hueco que se propagan en la región espaciadora entre los nanoladrillos y la película de oro, resultando en luz reflejada cuya amplitud y fase están determinadas por los tamaños de los nanoladrillos.

Si bien la amplitud y la fase se han controlado previamente de forma individual, Este estudio marca la primera vez que las dos propiedades se controlan de forma simultánea e independiente mediante la variación de las dimensiones de los dispersores metálicos, lo que representa un control sin precedentes de la luz a nanoescala.

"Creemos que el mayor significado es, De hecho, no computación analógica sino la posibilidad de controlar simultáneamente la amplitud y la fase de la luz reflejada en frecuencias visibles, "Pors dijo Phys.org . "Como se menciona en la conclusión del artículo, esto permite nuevas operaciones de metasuperficies, como la generación de frentes de onda complejos o el almacenamiento de información en hologramas (controlados en fase y amplitud). Es más, uno podría imaginarse que las placas de metasuperficie se utilizan como complementos en microscopios ópticos, por ejemplo, para imágenes de detección de bordes mediante el cálculo de la segunda derivada, o imágenes de fase utilizando una placa Zernike ".

He explained that there are several potential advantages of analog computing that have attracted recent attention to the subject.

"The renewed interest comes from the possibility of using light instead of an electrical signal or mechanical motion, which can allow for faster computation in a compact setup, " Pors said. "In general, researchers hope in the future to replace electrical signals with light because the frequency of light is much higher than GHz operation typically used in electronics. Luz, sin embargo, cannot conventionally be squeezed down to the dimensions of electronics, which is the reason why electronics dominates, with light mainly being used to transfer huge amounts of data over long distances. Regarding analog versus digital computation, analog computations have the advantage that the input signal doesn't have to be converted to a digital stream of bits, meaning that analog operations don't suffer from conversion delays; es decir., it can be faster than digital computations."

En el futuro, the researchers plan to investigate the wider potential of metasurfaces.

"We will not solely focus on analog computing, but continue exploring the possibilities of using gradient metasurfaces to control light and design new spectacular/important functionalities, " Pors said.

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