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美用超材料設計首個使光彎曲的計算器

瀏覽次數: 日期:2015-4-21 14:29:15

據英國《新科學家》雜志網站近日報道,提起超材料,首先映入我們腦海中的就是“哈利波特式的隱身斗篷”,但科學家們可謂是世界上最能物盡其用的一群人。這不,美國科學家最近就模擬出了超材料計算器,有望被用來執行復雜的數學運算,從而快速處理圖形圖像。相關研究發表在《科學》雜志上。
      超材料是具有奇異光學性能的人工復合材料,它能夠彎曲、散射、傳輸電磁輻射,甚至讓電磁輻射以特定路徑傳播,而自然材料完全無法做到這些。從原理上來說,超材料通過讓光線在遇到物體時“繞道而走”原理,從而使物體不可見。最近幾年,隨著科學家們在超材料領域的研究不斷取得突破,各式各樣能對光進行操控的工具也層出不窮。
      賓夕法尼亞大學教授納德?恩赫塔和同事并不滿足于用超材料來制造“隱形斗篷”,他們決定利用已經過時的模擬計算理念,為超材料找到其他新用途。
      目前的數字計算機建立在電子開關的開和關的基礎上,但其“前輩”模擬計算機則基于不同的電子或力學屬性來工作。對數計算尺就是一個例證,其是一個模擬計算機,在上世紀70年代前使用廣泛,之后被電子計算器取代,成為過時技術。
      模擬計算機的精度囿于當時所用材料的限制,例如,任何在計算時需要移動的零件都受制于其能做得多小。但超材料主要依靠光來工作,因此沒有這種限制。恩赫塔團隊模擬了一種擁有求導和積分等計算功能的超材料(由硅和摻雜鋁的氧化鋅精確地逐層交替組成)以及其他基本的超材料工具。
      這種超材料計算機之所以能工作,是因為光波能在空間中畫出數學曲線。在計算中,求導描述的是曲線在不同點的斜率;而積分則表示的是這些曲線所包圍的面積,該模擬計算機通過改變光波的輪廓來執行這些數學計算。例如,如果朝超材料照射一束光(描述y=x2這樣的拋物線)計算求導,另一邊出來的光的輪廓描述的就是可用y=2x描述的一條直線。
      接下來,他們計劃制造出這種超材料,以進一步測試這一概念。如果其能工作,那么,從理論上而言,其能被整合進相機透鏡內以執行包括模式識別等在內的圖像處理任務。目前這種任務由一塊普通的計算芯片對像素進行逐個檢測來完成,但由超材料制成的模擬計算機則能即刻處理完整圖像。
      “最新實驗為超材料開辟了新的研究方向!庇蹏砉W院的約翰?彭德瑞表示,“除此之外,這種設備也能用來執行其他計算!


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