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美用超材料设计首个使光弯曲的计算器

导读: 超材料是具有奇异光学性能的人工复合材料,它能够弯曲、散射、传输电磁辐射,甚至让电磁辐射以特定路径传播,而自然材料完全无法做到这些。

  提起超材料,首先映入我们脑海中的就是“哈利波特式的隐身斗篷”,但科学家们可谓是世界上最能物尽其用的一群人。这不,美国科学家最近就模拟出了超材料计算器,有望被用来执行复杂的数学运算,从而快速处理图形图像。

  超材料是具有奇异光学性能的人工复合材料,它能够弯曲、散射、传输电磁辐射,甚至让电磁辐射以特定路径传播,而自然材料完全无法做到这些。从原理上来说,超材料通过让光线在遇到物体时“绕道而走”原理,从而使物体不可见。最近几年,随着科学家们在超材料领域的研究不断取得突破,各式各样能对光进行操控的工具也层出不穷。

  宾夕法尼亚大学教授纳德·恩赫塔和同事并不满足于用超材料来制造“隐形斗篷”,他们决定利用已经过时的模拟计算理念,为超材料找到其他新用途。

  目前的数字计算机建立在电子开关的开和关的基础上,但其“前辈”模拟计算机则基于不同的电子或力学属性来工作。对数计算尺就是一个例证,其是一个模拟计算机,在上世纪70年代前使用广泛,之后被电子计算器取代,成为过时技术。

  模拟计算机的精度囿于当时所用材料的限制,例如,任何在计算时需要移动的零件都受制于其能做得多小。但超材料主要依靠光来工作,因此没有这种限制。恩赫塔团队模拟了一种拥有求导和积分等计算功能的超材料(由硅和掺杂铝的氧化锌精确地逐层交替组成)以及其他基本的超材料工具。

  这种超材料计算机之所以能工作,是因为光波能在空间中画出数学曲线。在计算中,求导描述的是曲线在不同点的斜率;而积分则表示的是这些曲线所包围的面积,该模拟计算机通过改变光波的轮廓来执行这些数学计算。例如,如果朝超材料照射一束光(描述y=x2这样的抛物线)计算求导,另一边出来的光的轮廓描述的就是可用y=2x描述的一条直线。

  接下来,他们计划制造出这种超材料,以进一步测试这一概念。如果其能工作,那么,从理论上而言,其能被整合进相机透镜内以执行包括模式识别等在内的图像处理任务。目前这种任务由一块普通的计算芯片对像素进行逐个检测来完成,但由超材料制成的模拟计算机则能即刻处理完整图像。

  “最新实验为超材料开辟了新的研究方向。”英国帝国理工学院的约翰·彭德瑞表示,“除此之外,这种设备也能用来执行其他计算。”

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