Les scientifiques ont démontré qu'un matériau artificiel en 2D appelé métasurface peut effectuer une différenciation et une intégration spatiales, les deux principaux types de problèmes de calcul, lorsqu'il est éclairé par un faisceau laser. Essentiellement, la métasurface transforme la forme du profil d'onde lumineuse entrante (l'entrée) en la forme de sa dérivée ou intégrale (la sortie). La réalisation nécessite un contrôle très précis de la lumière à l'échelle nanométrique, en particulier, contrôlant à la fois l'amplitude et la phase de la lumière réfléchie.

Les chercheurs, Anders Pors, Michael G. Nielsen, et Sergey I. Bozhevolnyi à l'Université du Danemark du Sud, ont publié leur article sur la nouvelle métasurface dans un récent numéro de Lettres nano .

De façon quelque peu inattendue, le travail s'appuie sur des recherches récentes sur l'informatique analogique, qui est basé sur des valeurs continues, plutôt que des valeurs incrémentielles comme l'informatique numérique utilisée. La nouvelle métasurface utilise des valeurs continues de la phase et de l'amplitude de la lumière pour effectuer les opérations de calcul, ce qui en fait un exemple de calcul analogique.

Le concept d'ordinateurs analogiques peut évoquer des images de règles à calcul et d'autres outils démodés qui ont été remplacés par des ordinateurs numériques dans les années 1960 et 1970. Mais l'année dernière, une équipe de chercheurs (A. Silva, et al.) ont présenté des simulations suggérant que les métamatériaux peuvent effectuer des tâches de calcul de manière analogique, c'est-à-dire en utilisant des champs optiques continus plutôt que des bits discrets pour représenter les données.

Ces travaux ont montré que les métasurfaces ont l'avantage d'être extrêmement minces, des ordres de grandeur plus petits que les éléments optiques conventionnels tels que les lentilles volumineuses ou les plaques d'onde. Leur faible épaisseur permet potentiellement la conception de miniaturisés, circuits optiques compacts, avec l'informatique analogique comme une application unique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs danois ont démontré une approche pratique pour réaliser un calcul analogique compact à l'aide de métasurfaces. En général, les métasurfaces consistent en un réseau de minuscules diffuseurs métalliques qui sont plus petits que la longueur d'onde de la lumière qui les traverse.

Ici, les chercheurs ont utilisé des nanobriques d'or comme diffuseurs, placé au-dessus d'un espaceur de dioxyde de silicium et d'un film d'or. Lorsqu'un faisceau laser de 800 nm éclaire la métasurface, la lumière excite des plasmons à surface d'espacement qui se propagent dans la région d'espacement entre les nanobriques et le film d'or, résultant en une lumière réfléchie dont l'amplitude et la phase sont déterminées par la taille des nanobriques.

Alors que l'amplitude et la phase étaient auparavant contrôlées individuellement, cette étude marque la première fois que les deux propriétés sont contrôlées simultanément et indépendamment en faisant varier les dimensions des diffuseurs métalliques, représentant un contrôle sans précédent de la lumière à l'échelle nanométrique.

"Nous pensons que la plus grande importance est, En réalité, pas de calcul analogique mais la possibilité de contrôler simultanément l'amplitude et la phase de la lumière réfléchie aux fréquences visibles, " Pors a dit Phys.org . "Comme mentionné dans la conclusion de l'article, cela permet de nouvelles opérations de métasurfaces, comme la génération de fronts d'onde complexes ou le stockage d'informations dans des hologrammes (à contrôle de phase et d'amplitude). De plus, on pourrait imaginer que des plaques de métasurface soient utilisées comme ajouts dans les microscopes optiques, par exemple, pour l'imagerie par détection de contour en calculant la dérivée seconde, ou imagerie de phase à l'aide d'une plaque de 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, cependant, 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; c'est à dire., it can be faster than digital computations."

À l'avenir, 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.

© 2015 Phys.org