Penn muhandislari tenglamalarni yechishga qodir bo'lgan metamateriallarni namoyish etadilar

Nader Engxeta, markaz, laboratoriya xodimlari Brayan Edvards va Nasim Muxammadi Estaxri o'zlarining tenglamalarni echadigan metamaterial yordamida suratga tushmoqdalar. Havo teshiklarining shakli va naqshlari mikroto'lqinlar bilan ishlash uchun mo'ljallangan. Xuddi shu printsiplar infraqizil yoki ko'rinadigan yorug'lik to'lqinlariga nisbatan qo'llanilishi mumkin, bu esa qurilmani mikrochipga o'rnatish uchun qisqarishini ta'minlaydi. (Rasmlar: Erik Sukar)

Metamateriallar sohasi murakkab, kompozit tuzilmalarni loyihalashni o'z ichiga oladi, ularning ba'zilari tabiiy ravishda paydo bo'lmaydigan materiallarda elektromagnit to'lqinlarni boshqarishi mumkin.

Pensilvaniya universiteti muhandislik va amaliy fanlar maktabining o'qituvchisi Nader Enxeta uchun bu sohadagi eng katta maqsadlardan biri bu tenglamalarni echishga qodir metamateriallarni loyihalashdir. Ushbu "fotonik hisoblash" parametrlarni kiruvchi elektromagnit to'lqinning xususiyatlariga kodlash va metamaterial orqali yuborish orqali ishlaydi; Qurilmaning noyob tuzilishi ichkariga kirgandan so'ng, to'lqinni shunday ixtiyoriy kirish uchun oldindan o'rnatilgan integral tenglamaga echim bilan kodlangan holda chiqadigan qilib o'zgartiradi.

Yaqinda Science nashrida chop etilgan maqolada, Engheta va uning jamoasi birinchi marta bunday qurilmani namoyish etishdi.

Ularning kontseptsiyasini isbotlovchi eksperiment mikroto'lqinlar yordamida o'tkazildi, chunki ularning uzun to'lqin uzunligi makroshchik qurilmani osonroq qurish imkonini berdi. Ammo topilmalar printsiplari yorug'lik to'lqinlariga qadar tarqalib, keyinchalik mikrochipga o'rnatilishi mumkin.

Bunday metamaterial qurilmalar elektr energiyasidan ko'ra ko'proq yorug'lik bilan ishlaydigan analog kompyuterlar sifatida ishlaydi. Ular integral tenglamalarni - har bir fan va muhandislik sohasidagi har xil muammolarni - kam kuch sarf qilganda, raqamli tengdoshlariga qaraganda tezroq kattalik buyurtmalarini hal qilishlari mumkin edi.

Enjeta, X. Nedvill Ramsey Elektrotexnika va tizimlar muhandisligi kafedrasi professori, Nasim Muxammadi Estaxri va Brayan Edvards bilan birgalikda tadqiqot olib bordi.

Ushbu yondashuv analog hisoblashda o'z ildizlariga ega. Birinchi analog kompyuterlar fizik elementlardan foydalangan holda matematik muammolarni echdilar, masalan, slayd-qoidalar va uzatmalar to'plamlari, ular aniq echimlarni topish uchun boshqarilgan. 20-asrning o'rtalarida elektron analog kompyuterlar mexaniklarini almashtirdi, bir qator rezistorlar, kondansatörlar, induktorlar va kuchaytirgichlar oldingi soatlarning o'rnini bosdi.

Bunday kompyuterlar eng zamonaviydir, chunki ular bir vaqtning o'zida katta hajmdagi ma'lumot jadvallarini echishga qodir edilar, ammo ular echish uchun oldindan ishlab chiqilgan muammolar sinfiga cheklangan edilar. Qayta tiklanadigan, dasturlashtiriladigan raqamli kompyuterlarning paydo bo'lishi, 1945 yilda Pennda qurilgan ENIAC bilan boshlanib, ularni eskirgan.

Metamateriallar sohasi rivojlanib borgan sari, Engheta va uning jamoasi XXI asrda analog hisoblashlar orqasidagi tushunchalarni olib kelish usulini ishlab chiqdilar. 2014 yilda Fanda "fotonik hisoblash" nazariy rejasini e'lon qilganda, ular puxta ishlab chiqilgan metamaterial qanday qilib o'ylagan to'lqin profilida matematik operatsiyalarni bajarishi mumkinligini ko'rsatdi, masalan, uning birinchi yoki ikkinchi hosilasini topish.

Endi Enxeta va uning jamoasi ushbu nazariyani tasdiqlagan va uni tenglamalarni echish uchun kengaytirgan jismoniy tajribalar o'tkazishdi.

"Bizning qurilmamizda havo teshiklari juda aniq taqsimlanadigan dielektrik materiallar bloki mavjud", deydi Enxeta. "Bizning jamoamiz buni" Shveytsariya pishloqi "deb atashni yaxshi ko'radi."

Shveytsariya pishloq materiallari - bu polistirol plastmassaning bir turi; uning murakkab shakli CNC freze mashinasi tomonidan o'yilgan.

"Ushbu Shveytsariya pishloq metastrukturasi bilan elektromagnit to'lqinlarning o'zaro ta'sirini boshqarish tenglamani hal qilishning kalitidir" deydi Estaxri. "Tizim to'g'ri yig'ilgandan so'ng, siz tizimdan chiqadigan narsa integral tenglamani echishdir."

"Ushbu struktura, - deb qo'shib qo'ydi Edvards, -" teskari dizayn "deb nomlanuvchi hisoblash jarayoni orqali hisoblab chiqilgan va uni hech kim sinashni o'ylamagan shakllarni topish uchun ishlatsa bo'ladi."

Qurilmadagi plastik material va havo teshiklarining murakkab

Shveytsariya pishloqidagi ichi bo'sh joylar shakli berilgan ikkita "o'zgaruvchi" o'rtasidagi o'zaro bog'liqlikni tavsiflovchi tenglamaning qismi berilgan "yadro" bilan integral tenglamani hal qilish uchun oldindan belgilangan. "Fredholm ikkinchi turdagi integral tenglamalar" deb nomlanuvchi bunday integral tenglamalarning umumiy klassi turli xil ilmiy sohalarda har xil fizik hodisalarni tavsiflashning keng tarqalgan usulidir. Oldindan o'rnatilgan tenglama har qanday ixtiyoriy kirishlar uchun hal qilinishi mumkin, ular qurilmaga kiritilgan to'lqinlarning fazalari va kattaliklari bilan ifodalanadi.

"Masalan, agar siz kontsert zalining akustikasini rejalashtirishga harakat qilsangiz, integral tenglamani yozishingiz mumkin, bunda kirishlar ovoz manbalarini, masalan, karnaylar yoki asboblarning holati va ular qanchalik baland ovozda o'ynashlarini aks ettiradi. Tenglamaning boshqa qismlari xonaning geometriyasini va uning devorlari yasalgan materialni aks ettiradi. Ushbu tenglamani echish sizga kontsert zalining turli nuqtalarida ovoz balandligini beradi. ”

Ovoz manbalari, xonaning shakli va ma'lum joylardagi hajm o'rtasidagi bog'liqlikni tavsiflovchi integral tenglamada xonaning xususiyatlari - uning devorlarining shakli va moddiy xususiyatlari - tenglamaning yadrosi bilan ifodalanishi mumkin. Bu Penn Engineering tadqiqotchilari metamaterial Shveytsariya pishloqidagi havo teshiklarini aniq tartibga solish orqali jismoniy jihatdan namoyish etishlari mumkin bo'lgan qism.

"Bizning tizimimiz tizimga siz yuboradigan to'lqin xususiyatlarini o'zgartirish orqali ovoz manbalarining joylashishini bildiruvchi kirishlarni o'zgartirishga imkon beradi," deydi Engheta, "lekin agar siz xonaning shaklini o'zgartirishni xohlasangiz, masalan, siz yangi yadro qilishingiz kerak bo'ladi. ”

Tadqiqotchilar o'z tajribalarini mikroto'lqinli pechlarda o'tkazdilar; masalan, ularning qurilmasi taxminan ikki kvadrat fut yoki kengligi sakkiz to'lqin uzunligi va to'rt to'lqin uzunligi edi.

"Hatto kontseptsiyaning isbotlangan bosqichida ham bizning elektronika elektronikaga qaraganda juda tezdir", deydi Enxeta. "Mikroto'lqinlar yordamida bizning tahlilimiz shuni ko'rsatdiki, yechim yuzlab nanosekundlarda olinishi mumkin va agar biz optikani qabul qilsak, tezlik pikosekundlarda bo'ladi."

Qurilma o'lchamlari mikroto'lqinlarning to'lqin uzunligiga mutanosib va ​​shveytsariyalik pishloq naqshini engillashtirish uchun tanlangan.

Kontseptsiyani yorug'lik to'lqinlarida ishlay oladigan va mikrochipga joylashtiradigan miqyosda o'lchash ularni hisoblash uchun yanada amaliy qiladi, balki boshqa ko'p funktsiyali raqamli kompyuterlarga o'xshash bo'lishiga imkon yaratadi. bu o'nlab yillar oldin birinchi marta analog hisoblash vositalarini eskirgan.

"Shveytsariya pishloqining yangi namunalarini kerak bo'lganda yaratish uchun biz qayta yoziladigan kompakt-disklar orqasidagi texnologiyadan foydalanishimiz mumkin", deydi Enxeta. "Bir kun kelib siz o'zingizning shaxsiy kompyuteringizda qayta tiklanadigan analog kompyuteringizni chop eta olasiz!"

Tadqiqot Mudofaa vazirining ilmiy tadqiqotlar va muhandislik bo'yicha yordamchisining asosiy tadqiqot bo'limi tomonidan Vannevar Bushning o'qituvchilik dasturiga va N00014–16–1–2029 granti orqali dengiz tadqiqotlari idorasi tomonidan qo'llab-quvvatlandi.