Метаповерхность может работать аналоговым компьютером

Ученые из Университета Южной Дании в статье, вышедшей в недавнем номере журнала Nano Letters, показали, что двумерная синтетическая метаповерхность может выполнять пространственное дифференцирование и интегрирование.

При освещении лазером с длиной волны 800 нм, наноструктура, состоящая из массива субволновых золотых отражателей, размещенных на золотой фольге с изолирующий прослойкой из диоксида кремния, генерирует плазмоны. Они распространяются в изолирующий прослойке и образуют отраженную волну, амплитуда и фаза которой определяются размерами наноотражателей. Таким образом профиль падающей волны (входящий сигнал) трансформируется в его производную или первообразную.

Подобно другим аналоговым вычислителям, метаповерхность оперирует непрерывными амплитудой и фазой, а не их дискретными значениями, как цифровые компьютеры. Соответственно, входящий сигнал не требуется преобразовывать в последовательность битов, устранение этой задержки позволяет ускорить расчеты.

Кроме того, метаповерхность работает напрямую со светом, частота которого намного выше используемых в электронике. Еще одним преимуществом является ее малая толщина, на порядки величины меньше, чем традиционных оптических устройств — линз или оптических пластинок. Невозможность втиснуть свет в масштабы микрочипа это одна из причин, почему электроника до сих пор доминирует в компьютерах, а оптические технологии используются лишь для пересылки больших объемов данных на дальние расстояния.

Главным результатом своей работы датские ученые всё же считают не аналоговые вычисления, а возможность одновременного управления амплитудой и фазой на частотах видимого света. Это открывает новые направления применения метаповерхностей, такие как генерирование сложных волновых фронтов или голографическая запись информации. Подобные пластинки могут использоваться и в оптической микроскопии, например для визуализации границ путем вычисления второй производной или для получения фазово-контрастных изображений по методу Цернике.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365