被称为瑞士奶酪的结构吐出了微波炉编码的答案

物理学家通过将微波照射到超材料上来解决光速下的数学方程式 - 这是一组以精心排列的图案布置的不寻常形状。美国宾夕法尼亚大学的Nader Engheta和他的同事提出了超材料，用它来解决一类称为 “第二类Fredholm积分方程”的方程。

该团队昵称为瑞士奶酪的形状集合处理微波辐射，其中特定参数已被编码。然后它向矿石集积分方程式求解，也编码到微波特性上。

而且因为它以光速发生，它比传统的基于计算机的方法快了几个星期，Engheta的作品发表在“ 科学 ”杂志上。

Fredholm积分方程有很多用途。例如，他们可以描述wifi强度如何通过建筑物变化，或计算量子力学中的扰动理论，或应用于声学。

“如果你试图计划音乐厅的音响效果，你可以写出一个积分方程式，其中输入代表声音的来源，例如扬声器或乐器的位置，以及它们的大声播放，”Engheta说。 。

“等式的其他部分将代表房间的几何形状及其墙壁的材料。解决这个等式会给你音乐厅不同点的音量。“

通过改变输入微波的特性，可以找到不同情况的解决方案，例如不同位置的音乐家或以不同音量播放。例如，它们的相位和幅度。

每个超材料配置仅对应一个等式：在音乐厅类比中，对于形状不同的音乐厅，您需要一个新的配置。

为了便于在原理验证实验中制造，Engheta选择使用微波炉。超材料由形状和孔构成，其尺寸与电磁辐射的波长相似。在微波炉的情况下，每个部件相当于几厘米，用铣床很容易用聚苯乙烯制造。

现在该团队已成功使用微波，他们计划缩小到红外波长，这是光纤通信所使用的。向微米级元件的转移将使制造更加困难，但将允许将元件包含在微芯片中。

尺寸减小10,000倍也将减少系统解决方程所需的时间，从当前的纳秒处理时间到仅仅皮秒。

除了高速，光还具有电磁波相互通过而不会相互作用的优点，因此可以并行处理许多解决方案。

Engheta和他的团队之前表明，超材料可以作为电阻器和电容器等电子元件运行，也可以进行差分和积分等数学运算。

因此，使用它们来解决方程式是一个自然的步骤，任务团队成员Brian Edwards称之为“光子微积分”。

“这种结构是通过一种称为逆向设计的计算过程计算出来的，可以用来找到人们不会想到的形状，”他说。

该团队希望采用可以动态改变的超材料来解决一系列方程式。

“也许在未来，这也可以导致某些形式的材料可以学习，基于这些超材料的输入和输出功能的培训，”Engheta说。