Gli scienziati hanno dimostrato che un materiale artificiale bidimensionale chiamato metasuperficie può eseguire differenziazione e integrazione spaziale, i due principali tipi di problemi di calcolo, quando illuminato da un raggio laser. Essenzialmente, la metasuperficie trasforma la forma del profilo d'onda luminosa in ingresso (l'ingresso) nella forma della sua derivata o integrale (l'uscita). Il risultato richiede un controllo molto preciso della luce su scala nanometrica, in particolare, controllando contemporaneamente sia l'ampiezza che la fase della luce riflessa.

I ricercatori, Anders Pors, Michael G. Nielsen, e Sergey I. Bozhevolnyi presso l'Università della Danimarca meridionale, hanno pubblicato il loro articolo sulla nuova metasuperficie in un recente numero di Nano lettere .

Un po' inaspettatamente, il lavoro si basa su ricerche recenti sull'informatica analogica, che si basa su valori continui, piuttosto che valori incrementali come l'informatica digitale utilizzata. La nuova metasuperficie utilizza valori continui della fase e dell'ampiezza della luce per eseguire le operazioni di calcolo, rendendolo un esempio di calcolo analogico.

Il concetto di computer analogici può evocare immagini di regoli calcolatori e altri strumenti antiquati che sono stati sostituiti dai computer digitali negli anni '60 e '70. Ma l'anno scorso, un team di ricercatori (A. Silva, et al.) hanno presentato simulazioni che suggeriscono che i metamateriali possono eseguire compiti computazionali in modo analogico, ovvero utilizzando campi ottici continui piuttosto che bit discreti per rappresentare i dati.

Quel lavoro ha mostrato che le metasuperfici hanno il vantaggio di essere estremamente sottili, ordini di grandezza più piccoli degli elementi ottici convenzionali come lenti ingombranti o lastre d'onda. La loro sottigliezza consente potenzialmente la progettazione di miniaturizzati, circuiti ottici compatti, con il calcolo analogico come un'unica applicazione.

Nel nuovo studio, i ricercatori danesi hanno dimostrato un approccio pratico per realizzare calcoli analogici compatti utilizzando le metasuperfici. Generalmente, le metasuperfici sono costituite da una serie di minuscoli diffusori metallici che sono più piccoli della lunghezza d'onda della luce che li attraversa.

Qui, i ricercatori hanno usato nanomattoni d'oro come diffusori, posto sopra un distanziatore di biossido di silicio e una pellicola d'oro. Quando un raggio laser da 800 nm illumina la metasuperficie, la luce eccita i plasmoni della superficie gap che si propagano nella regione del distanziatore tra i nanobrick e la pellicola d'oro, con conseguente luce riflessa la cui ampiezza e fase sono determinate dalle dimensioni dei nanomattoni.

Mentre l'ampiezza e la fase sono state precedentemente controllate individualmente, questo studio segna la prima volta che le due proprietà sono controllate simultaneamente e indipendentemente variando le dimensioni degli scatterer metallici, che rappresenta un controllo senza precedenti della luce su scala nanometrica.

"Crediamo che il significato più grande sia, infatti, non il calcolo analogico ma la possibilità di controllare simultaneamente l'ampiezza e la fase della luce riflessa alle frequenze visibili, " Pors ha detto Phys.org . "Come accennato nella conclusione dell'articolo, questo permette nuove operazioni di metasuperfici, come la generazione di fronti d'onda complessi o la memorizzazione di informazioni in ologrammi (controllati in fase e ampiezza). Inoltre, si potrebbe immaginare che le piastre metasuperficiali vengano utilizzate come componenti aggiuntivi nei microscopi ottici, ad esempio, per l'imaging di rilevamento dei bordi calcolando la derivata seconda, o imaging di fase utilizzando una lastra 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. Light, però, 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; cioè., it can be faster than digital computations."

Nel 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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