O campo dos metamateriais envolve projetos complicados, estruturas compostas, alguns dos quais podem manipular ondas eletromagnéticas de maneiras que são impossíveis em materiais que ocorrem naturalmente.

Para Nader Engheta, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia, um dos objetivos mais importantes neste campo tem sido projetar metamateriais que podem resolver equações. Esse "cálculo fotônico" funcionaria codificando parâmetros nas propriedades de uma onda eletromagnética de entrada e enviando-a por meio de um dispositivo de metamaterial; uma vez dentro, a estrutura única do dispositivo manipularia a onda de tal forma que ela sairia codificada com a solução para uma equação integral predefinida para aquela entrada arbitrária.

Em um artigo publicado recentemente em Ciência , Engheta e sua equipe demonstraram tal dispositivo pela primeira vez.

Seu experimento de prova de conceito foi conduzido com microondas, já que seus comprimentos de onda longos permitiam um dispositivo de escala macro mais fácil de construir. Os princípios por trás de suas descobertas, Contudo, podem ser reduzidos a ondas de luz, eventualmente cabendo em um microchip.

Esses dispositivos de metamaterial funcionariam como computadores analógicos que operam com luz, em vez de eletricidade. Eles poderiam resolver equações integrais - problemas onipresentes em todos os ramos da ciência e da engenharia - ordens de magnitude mais rápido do que suas contrapartes digitais, enquanto usa menos energia.

Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, conduziu o estudo junto com os membros do laboratório Nasim Mohammadi Estakhri e Brian Edwards.

Essa abordagem tem suas raízes na computação analógica. Os primeiros computadores analógicos resolveram problemas matemáticos usando elementos físicos, como réguas deslizantes e conjuntos de engrenagens, que foram manipulados de maneiras precisas para chegar a uma solução. Em meados do século 20, computadores analógicos eletrônicos substituíram os mecânicos, com série de resistores, capacitores, indutores e amplificadores substituindo os relógios de seus predecessores.

Esses computadores eram de última geração, pois eles poderiam resolver grandes tabelas de informações de uma só vez, mas estavam limitados à classe de problemas para os quais foram pré-concebidos. O advento do reconfigurável, computadores digitais programáveis, começando com ENIAC, construído em Penn em 1945, os tornou obsoletos.

À medida que o campo dos metamateriais se desenvolveu, Engheta e sua equipe desenvolveram uma maneira de trazer os conceitos por trás da computação analógica para o século 21. Publicação de um esboço teórico para "cálculo fotônico" em Ciência em 2014, eles mostraram como um metamaterial cuidadosamente projetado pode realizar operações matemáticas no perfil de uma onda que passa por ela, como encontrar sua primeira ou segunda derivada.

Agora, Engheta e sua equipe realizaram experimentos físicos validando esta teoria e expandindo-a para resolver equações.

"Nosso dispositivo contém um bloco de material dielétrico que tem uma distribuição muito específica de orifícios de ar, "Engheta diz." Nossa equipe gosta de chamá-lo de 'queijo suíço'. "

O material do queijo suíço é um tipo de plástico de poliestireno; sua forma intrincada é esculpida por uma fresadora CNC.

"Controlar as interações de ondas eletromagnéticas com esta metaestrutura de queijo suíço é a chave para resolver a equação, "Estakhri diz." Uma vez que o sistema esteja devidamente montado, o que você obtém do sistema é a solução para uma equação integral. "

"Esta estrutura, "Edwards acrescenta, "foi calculado por meio de um processo computacional conhecido como 'projeto inverso, 'que pode ser usado para encontrar formas que nenhum humano pensaria em tentar. "

O padrão de regiões ocas no queijo suíço é predeterminado para resolver uma equação integral com um determinado "kernel, "a parte da equação que descreve a relação entre duas variáveis. Esta classe geral de tais equações integrais, conhecido como "equações integrais de Fredholm do segundo tipo, "é uma maneira comum de descrever diferentes fenômenos físicos em uma variedade de campos científicos. A equação predefinida pode ser resolvida para quaisquer entradas arbitrárias, que são representados pelas fases e magnitudes das ondas que são introduzidas no dispositivo.

"Por exemplo, se você estava tentando planejar a acústica de uma sala de concertos, você pode escrever uma equação integral onde as entradas representam as fontes do som, como a posição dos alto-falantes ou instrumentos, bem como o quão alto eles tocam. Outras partes da equação representariam a geometria da sala e o material de que são feitas as paredes. Resolver essa equação daria a você o volume em diferentes pontos da sala de concertos. "

Na equação integral que descreve a relação entre as fontes de som, a forma da sala e o volume em locais específicos, as características da sala - a forma e as propriedades do material de suas paredes - podem ser representadas pelo núcleo da equação. Esta é a parte que os pesquisadores da Penn Engineering são capazes de representar de forma física, através do arranjo preciso de orifícios de ar em seu queijo suíço de metamaterial.

"Nosso sistema permite que você altere as entradas que representam os locais das fontes de som, alterando as propriedades da onda que você envia para o sistema, "Engheta diz, "mas se você quiser mudar a forma da sala, por exemplo, você terá que fazer um novo kernel. "

Os pesquisadores conduziram seu experimento com microondas; Como tal, o dispositivo deles tinha cerca de dois pés quadrados, ou cerca de oito comprimentos de onda de largura e quatro comprimentos de onda de comprimento.

"Mesmo nesta fase de prova de conceito, nosso dispositivo é extremamente rápido em comparação com a eletrônica, "Engheta diz." Com microondas, nossa análise mostrou que uma solução pode ser obtida em centenas de nanossegundos, e uma vez que levamos para a óptica, a velocidade seria em picossegundos. "

Reduzir o conceito à escala em que ele pudesse operar em ondas de luz e ser colocado em um microchip não só os tornaria mais práticos para a computação, abriria as portas para outras tecnologias que os capacitariam a ser mais semelhantes aos computadores digitais multifuncionais que tornaram a computação analógica obsoleta há décadas.

"Poderíamos usar a tecnologia por trás dos CDs regraváveis ​​para fazer novos padrões de queijo suíço conforme necessário, "Engheta diz." Algum dia você poderá imprimir seu próprio computador analógico reconfigurável em casa! "