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超颖表面解决微积分问题
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-03-09 17:59

图片说明:上图是反射系数r的曲线图,r是纳米块维度的一个函数。插图显示了一个位于玻璃隔断和金色基底之上的金色纳米块。这项研究首次表明:改变纳米块尺寸,可同时独立控制反射光的振幅和相位。图片来源:Pors, et al. ©2014 American Chemical Society

科学家已经证实,一种称为“融合表面”或者“超颖表面”(metasurface)的二维人造材料可以执行空间分化和整合的任务,这是使用激光束照射时产生的两个主要的微积分问题。基本上,超颖表面可以将入射光的波形(输入)转变为导数或积分的形态(输出)。这需要对光进行精确的纳米级操作,具体而言,即同时控制反射光的振幅和相位。

本项目的研究者是南丹麦大学(University of Southern Denmark)Anders Pors,Michael G. Nielsen和Sergey I. Bozhevolnyi,他们的研究成果已经发表在2015年1月的Nano Letters上。

出人意料的是,最近关于模拟计算的研究结果是基于模拟计算的连续值,而不是数字计算的增量值。新的融合表面使用光的相位和振幅的连续值来实现微积分运算,从而使之成为模拟计算的一个实例。

模拟计算机可以让人想起计算尺和其他老式计算工具,这些工具在20世纪60年代和70年代已被计算机取代。但2014年,A. Silva等组成的研究团队的仿真结果表明超材料(metamaterial)可以以模拟计算的方式执行计算任务,这种方式不是使用离散位,而是使用连续光场来表示数据。

这项研究表明,融合表面的优势是非常薄,其数量级小于传统光学元件如透镜和波板。这种超薄设计和独特的模拟计算,使得小型化和紧凑型光学电路成为可能。

在新的研究中,丹麦的研究者展示了用融合表面实现紧凑型模拟计算的一个实例方法。一般情况下,融合表面由微小的金属散射体阵列组成,这些散射体的尺寸小于穿过此表面的光波波长。

图片说明:上图是扫描电子显微镜(SEM)制作的50 x 50平方微米的(a)微分器和(b)超面积分器。图片来源:Pors, et al. ©2014 American Chemical Society

研究者使用金色纳米块作为散射体,置于二氧化硅垫面和金膜之上。当800纳米的激光束照射融合表面时,光束激发了隔离区传播的等离子的面隙,其位于纳米块和金膜之间,从而通过纳米块的尺寸来确定反射光的振幅和相位。

之前的研究表明,振幅和相位已能被单独控制。而这项研究标志着这两个属性可被同时独立控制,即在纳米级上通过改变金属散射体的尺寸对光实现前所未有的控制。

Pors说:“我们认为,此研究的最大意义是发现在可见光的频谱上同时控制光的振幅和相位的可能性,而不是所谓的模拟计算。文章结论处提及,这使得融合表面能够进行新的操作,如复杂波前(wave front)的生成和全息图信息(相位和振幅控制)存储。另外,还可以将融合表面作为光学显微镜的一个附件——例如通过二阶导数计算图像边缘,或使用Zernike板生成相位图。”

Pors解释说,模拟计算的几个潜在优势已引起相关学科关注。

Pors说:“新的兴趣点来自于使用光代替电子信号或机械运动的可能性,这将使我们能以更紧凑的方式进行更快的运算。一般来说,研究者希望在未来用光代替电信号,因为光的频率要远比电子频率高的多。然而,光却不能被缩小至电子的尺寸,这就是电子依然占据主导地位,而光主要用于长距离传输大数据的原因。对于模拟计算和数字计算,模拟计算的优点在于输入信号不必被转换为数字比特流,这意味着模拟计算没有转换延迟,也就是它会比数字计算速度更快。”

未来,研究者计划探索融合表面的更广泛的潜在应用。

Pors说:“我们不会局限在模拟计算,而会继续探索使用融合表面梯度来控制光和设计新的重要功能的可能性。”(科学之家,译审:XQ Chen)


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