Os cientistas demonstraram que um material 2-D feito pelo homem chamado metassuperfície pode realizar a diferenciação e integração espacial, os dois principais tipos de problemas de cálculo, quando iluminado por um feixe de laser. Essencialmente, a metassuperfície transforma a forma do perfil de onda de luz de entrada (a entrada) na forma de sua derivada ou integral (a saída). A conquista requer um controle muito preciso da luz em nanoescala - especificamente, controlar a amplitude e a fase da luz refletida ao mesmo tempo.

Os pesquisadores, Anders Pors, Michael G. Nielsen, e Sergey I. Bozhevolnyi na University of Southern Denmark, publicaram seu artigo sobre a nova metassuperfície em uma edição recente da Nano Letras .

Um tanto inesperadamente, o trabalho se baseia em pesquisas recentes sobre computação analógica, que se baseia em valores contínuos, em vez de valores incrementais como a computação digital usada. A nova metassuperfície usa valores contínuos da fase e amplitude da luz para realizar as operações de cálculo, tornando-o um exemplo de computação analógica.

O conceito de computadores analógicos pode evocar imagens de regras de cálculo e outras ferramentas antiquadas que foram substituídas por computadores digitais nas décadas de 1960 e 1970. Mas no ano passado, uma equipe de pesquisadores (A. Silva, et al.) apresentaram simulações sugerindo que metamateriais podem realizar tarefas computacionais de forma analógica, ou seja, usando campos ópticos contínuos em vez de bits discretos para representar os dados.

Esse trabalho mostrou que as metassuperfícies têm a vantagem de serem extremamente finas - ordens de magnitude menores do que os elementos ópticos convencionais, como lentes volumosas ou placas de onda. Sua magreza potencialmente permite o design de miniaturizados, circuitos ópticos compactos, com a computação analógica como um aplicativo único.

No novo estudo, os pesquisadores da Dinamarca demonstraram uma abordagem prática para realizar a computação analógica compacta usando metassuperfícies. Em geral, Metassuperfícies consistem em uma série de minúsculos dispersores metálicos que são menores do que o comprimento de onda da luz que passa por eles.

Aqui, os pesquisadores usaram nanobricks de ouro como dispersores, colocado em cima de um espaçador de dióxido de silício e um filme de ouro. Quando um feixe de laser de 800 nm ilumina a metassuperfície, a luz excita plasmons de superfície de lacuna que se propagam na região espaçadora entre os nanobricks e o filme de ouro, resultando em luz refletida cuja amplitude e fase são determinadas pelos tamanhos dos nanobricks.

Embora a amplitude e a fase tenham sido controladas individualmente, este estudo marca a primeira vez que as duas propriedades são controladas simultaneamente e de forma independente, variando as dimensões dos espalhadores metálicos, representando controle sem precedentes da luz em nanoescala.

"Acreditamos que o maior significado é, na verdade, não a computação analógica, mas a possibilidade de controlar simultaneamente a amplitude e a fase da luz refletida em frequências visíveis, "Pors disse Phys.org . “Conforme mencionado na conclusão do artigo, isso permite novas operações de metassuperfícies, como a geração de frentes de onda complexas ou armazenamento de informações em hologramas (controlados por fase e amplitude). Além disso, pode-se imaginar placas metassuperfície sendo usadas como add-ons em microscópios ópticos, por exemplo, para imagens de detecção de borda calculando a segunda derivada, ou imagem de fase usando uma 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, Contudo, 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; ou seja, it can be faster than digital computations."

No 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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