Le domaine des métamatériaux implique la conception complexe, structures composites, dont certains peuvent manipuler les ondes électromagnétiques d'une manière impossible dans les matériaux naturels.

Pour Nader Engheta de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie, l'un des objectifs les plus élevés dans ce domaine a été de concevoir des métamatériaux capables de résoudre des équations. Ce "calcul photonique" fonctionnerait en codant des paramètres dans les propriétés d'une onde électromagnétique entrante et en l'envoyant à travers un dispositif de métamatériau ; une fois à l'intérieur, la structure unique de l'appareil manipulerait l'onde de manière à ce qu'elle sorte codée avec la solution d'une équation intégrale prédéfinie pour cette entrée arbitraire.

Dans un article récemment publié dans Science , Engheta et son équipe ont fait la démonstration d'un tel dispositif pour la première fois.

Leur expérience de preuve de concept a été menée avec des micro-ondes, car leurs longues longueurs d'onde permettaient un dispositif à macro-échelle plus facile à construire. Les principes qui sous-tendent leurs découvertes, cependant, peut être réduit aux ondes lumineuses, finalement s'adapter sur une puce électronique.

De tels dispositifs métamatériaux fonctionneraient comme des ordinateurs analogiques fonctionnant avec de la lumière, plutôt que l'électricité. Ils pouvaient résoudre des équations intégrales - des problèmes omniprésents dans toutes les branches de la science et de l'ingénierie - des ordres de grandeur plus rapidement que leurs homologues numériques, tout en utilisant moins d'énergie.

Engheta, H. Nedwill Ramsey Professeur au Département de génie électrique et des systèmes, a mené l'étude avec les membres du laboratoire Nasim Mohammadi Estakhri et Brian Edwards.

Cette approche a ses racines dans l'informatique analogique. Les premiers ordinateurs analogiques ont résolu des problèmes mathématiques en utilisant des éléments physiques, tels que les règles à calcul et les jeux d'engrenages, qui ont été manipulés de manière précise pour arriver à une solution. Au milieu du 20e siècle, les ordinateurs analogiques électroniques ont remplacé les mécaniques, avec des séries de résistances, condensateurs, inductances et amplificateurs remplaçant les rouages ​​de leurs prédécesseurs.

Ces ordinateurs étaient à la pointe de la technologie, car ils pouvaient résoudre de grandes tables d'informations à la fois, mais étaient limités à la classe de problèmes pour lesquels ils étaient pré-conçus. L'avènement du reconfigurable, ordinateurs numériques programmables, à commencer par ENIAC, construit à Penn en 1945, les a rendus obsolètes.

Au fur et à mesure que le domaine des métamatériaux se développait, Engheta et son équipe ont conçu un moyen de faire entrer les concepts derrière l'informatique analogique dans le 21e siècle. Publication d'une esquisse théorique du "calcul photonique" dans Science en 2014, ils ont montré comment un métamatériau soigneusement conçu pouvait effectuer des opérations mathématiques sur le profil d'une onde qui passait, pensa-t-il, comme trouver sa première ou sa seconde dérivée.

Maintenant, Engheta et son équipe ont réalisé des expériences physiques validant cette théorie et l'étendant pour résoudre des équations.

"Notre appareil contient un bloc de matériau diélectrique qui a une répartition très spécifique des trous d'air, ", dit Engheta. "Notre équipe aime l'appeler 'fromage suisse'."

Le matériau du fromage suisse est une sorte de plastique polystyrène; sa forme complexe est sculptée par une fraiseuse CNC.

"La maîtrise des interactions des ondes électromagnétiques avec cette métastructure du fromage suisse est la clé pour résoudre l'équation, " dit Estakhri. " Une fois le système correctement assemblé, ce que vous obtenez du système est la solution d'une équation intégrale."

« Cette structure, " Edwards ajoute, « a été calculé par un processus de calcul connu sous le nom de « conception inverse », ' qui peut être utilisé pour trouver des formes qu'aucun humain ne penserait à essayer."

Le motif des régions creuses dans le fromage suisse est prédéterminé pour résoudre une équation intégrale avec un "noyau, " la partie de l'équation qui décrit la relation entre deux variables. Cette classe générale de ces équations intégrales, appelées "équations intégrales de Fredholm du second type, " est une manière courante de décrire différents phénomènes physiques dans une variété de domaines scientifiques. L'équation prédéfinie peut être résolue pour toutes les entrées arbitraires, qui sont représentés par les phases et les amplitudes des ondes qui sont introduites dans le dispositif.

"Par exemple, si vous essayiez de planifier l'acoustique d'une salle de concert, vous pourriez écrire une équation intégrale où les entrées représentent les sources du son, comme la position des haut-parleurs ou des instruments, ainsi que la force avec laquelle ils jouent. D'autres parties de l'équation représenteraient la géométrie de la pièce et le matériau dont sont faits ses murs. Résoudre cette équation vous donnerait le volume à différents points de la salle de concert."

Dans l'équation intégrale qui décrit la relation entre les sources sonores, la forme de la pièce et le volume à des emplacements spécifiques, les caractéristiques de la pièce (la forme et les propriétés matérielles de ses murs) peuvent être représentées par le noyau de l'équation. C'est la partie que les chercheurs de Penn Engineering sont capables de représenter de manière physique, grâce à la disposition précise des trous d'aération dans leur fromage suisse métamatériau.

"Notre système vous permet de modifier les entrées qui représentent les emplacements des sources sonores en modifiant les propriétés de l'onde que vous envoyez dans le système, " Engheta dit, "mais si vous voulez changer la forme de la pièce, par exemple, vous devrez créer un nouveau noyau."

Les chercheurs ont mené leur expérience avec des micro-ondes; En tant que tel, leur appareil était d'environ deux pieds carrés, ou environ huit longueurs d'onde de large et quatre longueurs d'onde de long.

"Même à ce stade de la preuve de concept, notre appareil est extrêmement rapide par rapport à l'électronique, " dit Engheta. "Avec les micro-ondes, notre analyse a montré qu'une solution peut être obtenue en quelques centaines de nanosecondes, et une fois qu'on passe à l'optique, la vitesse serait en picosecondes."

Réduire le concept à l'échelle où il pourrait fonctionner sur des ondes lumineuses et être placé sur une puce ne les rendrait pas seulement plus pratiques pour l'informatique, cela ouvrirait les portes à d'autres technologies qui leur permettraient de ressembler davantage aux ordinateurs numériques polyvalents qui ont rendu l'informatique analogique obsolète il y a des décennies.

« Nous pourrions utiliser la technologie des CD réinscriptibles pour créer de nouveaux modèles de fromage suisse selon les besoins, " dit Engheta. " Un jour, vous pourrez peut-être imprimer votre propre ordinateur analogique reconfigurable à la maison ! "