Il campo dei metamateriali implica la progettazione di complicati, strutture composite, alcuni dei quali possono manipolare le onde elettromagnetiche in modi impossibili nei materiali naturali.

Per Nader Engheta della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania, uno degli obiettivi più elevati in questo campo è stato quello di progettare metamateriali in grado di risolvere equazioni. Questo "calcolo fotonico" funzionerebbe codificando i parametri nelle proprietà di un'onda elettromagnetica in arrivo e inviandola attraverso un dispositivo metamateriale; una volta dentro, la struttura unica del dispositivo manipolerebbe l'onda in modo tale che esca codificata con la soluzione di un'equazione integrale preimpostata per quell'ingresso arbitrario.

In un articolo recentemente pubblicato su Scienza , Engheta e il suo team hanno dimostrato per la prima volta un dispositivo del genere.

Il loro esperimento di proof-of-concept è stato condotto con microonde, poiché le loro lunghe lunghezze d'onda consentivano un dispositivo su macroscala più facile da costruire. I principi alla base delle loro scoperte, però, può essere ridimensionato a onde luminose, eventualmente inserito in un microchip.

Tali dispositivi metamateriali funzionerebbero come computer analogici che operano con la luce, piuttosto che elettricità. Potrebbero risolvere equazioni integrali, problemi onnipresenti in ogni branca della scienza e dell'ingegneria, ordini di grandezza più veloci delle loro controparti digitali, pur utilizzando meno energia.

Engheta, H. Nedwill Ramsey Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, ha condotto lo studio insieme ai membri del laboratorio Nasim Mohammadi Estakhri e Brian Edwards.

Questo approccio ha le sue radici nell'informatica analogica. I primi computer analogici risolvevano problemi matematici utilizzando elementi fisici, come regoli calcolatori e ingranaggi, che sono stati manipolati in modi precisi per arrivare a una soluzione. A metà del XX secolo, i computer elettronici analogici hanno sostituito quelli meccanici, con serie di resistori, condensatori, induttori e amplificatori che sostituiscono i meccanismi dei loro predecessori.

Tali computer erano all'avanguardia, in quanto potrebbero risolvere grandi tabelle di informazioni tutte in una volta, ma erano limitati alla classe di problemi per cui erano stati progettati in anticipo. L'avvento del riconfigurabile, computer digitali programmabili, a cominciare dall'ENIAC, costruito a Penn nel 1945, li ha resi obsoleti.

Con lo sviluppo del campo dei metamateriali, Engheta e il suo team hanno escogitato un modo per portare i concetti alla base dell'informatica analogica nel 21° secolo. Pubblicazione di uno schema teorico per il "calcolo fotonico" in Scienza nel 2014, hanno mostrato come un metamateriale accuratamente progettato potrebbe eseguire operazioni matematiche sul profilo di un'onda che passa lo pensava, come trovare la sua prima o seconda derivata.

Ora, Engheta e il suo team hanno eseguito esperimenti fisici convalidando questa teoria e ampliandola per risolvere le equazioni.

"Il nostro dispositivo contiene un blocco di materiale dielettrico che ha una distribuzione molto specifica dei fori per l'aria, " Dice Engheta. "Alla nostra squadra piace chiamarlo 'formaggio svizzero'".

Il materiale del formaggio svizzero è una sorta di plastica di polistirolo; la sua forma intricata è scolpita da una fresatrice CNC.

"Controllare le interazioni delle onde elettromagnetiche con questa metastruttura del formaggio svizzero è la chiave per risolvere l'equazione, " dice Estakhri. "Una volta che il sistema è stato assemblato correttamente, quello che ottieni dal sistema è la soluzione di un'equazione integrale."

"Questa struttura, "Edward aggiunge, "è stato calcolato attraverso un processo di calcolo noto come 'progettazione inversa, ' che può essere usato per trovare forme che nessun essere umano penserebbe di provare."

Il modello delle regioni cave nel formaggio svizzero è predeterminato per risolvere un'equazione integrale con un dato "kernel, " la parte dell'equazione che descrive la relazione tra due variabili. Questa classe generale di tali equazioni integrali, note come "equazioni integrali di Fredholm del secondo tipo, " è un modo comune di descrivere diversi fenomeni fisici in una varietà di campi scientifici. L'equazione preimpostata può essere risolta per qualsiasi input arbitrario, che sono rappresentati dalle fasi e dalle grandezze delle onde che vengono introdotte nel dispositivo.

"Per esempio, se stavi cercando di pianificare l'acustica di una sala da concerto, potresti scrivere un'equazione integrale in cui gli ingressi rappresentano le sorgenti del suono, come la posizione di altoparlanti o strumenti, così come il volume che suonano. Altre parti dell'equazione rappresenterebbero la geometria della stanza e il materiale di cui sono fatte le pareti. Risolvere quell'equazione ti darebbe il volume in diversi punti della sala da concerto."

Nell'equazione integrale che descrive la relazione tra le sorgenti sonore, la forma della stanza e il volume in luoghi specifici, le caratteristiche della stanza, la forma e le proprietà del materiale delle sue pareti, possono essere rappresentate dal nucleo dell'equazione. Questa è la parte che i ricercatori di Penn Engineering sono in grado di rappresentare in modo fisico, attraverso la precisa disposizione dei fori d'aria nel loro formaggio svizzero metamateriale.

"Il nostro sistema consente di modificare gli ingressi che rappresentano le posizioni delle sorgenti sonore modificando le proprietà dell'onda che si invia al sistema, "Engheta dice, "ma se vuoi cambiare la forma della stanza, Per esempio, dovrai creare un nuovo kernel."

I ricercatori hanno condotto il loro esperimento con le microonde; come tale, il loro dispositivo era di circa due piedi quadrati, o circa otto lunghezze d'onda larghe e quattro lunghezze d'onda lunghe.

"Anche in questa fase di proof-of-concept, il nostro dispositivo è estremamente veloce rispetto all'elettronica, " dice Engheta. "Con le microonde, la nostra analisi ha mostrato che una soluzione può essere ottenuta in centinaia di nanosecondi, e una volta che lo portiamo all'ottica, la velocità sarebbe in picosecondi."

Ridimensionare il concetto alla scala in cui potrebbe funzionare su onde luminose ed essere posizionato su un microchip non solo li renderebbe più pratici per l'informatica, aprirebbe le porte ad altre tecnologie che permetterebbero loro di essere più simili ai computer digitali multiuso che hanno reso obsoleti i computer analogici decenni fa.

"Potremmo usare la tecnologia alla base dei CD riscrivibili per creare nuovi modelli di formaggio svizzero quando sono necessari, " Dice Engheta. "Un giorno potresti essere in grado di stampare il tuo computer analogico riconfigurabile a casa!"