Metamateriais são materiais projetados para ter propriedades não encontradas em materiais naturais. O campo envolve o design de estruturas complicadas, algumas das quais podem manipular ondas eletromagnéticas.

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Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia projetaram metamateriais que podem resolver equações.

Cálculo Fotônico

Referido como “cálculo fotônico”, o processo funcionaria codificando parâmetros nas propriedades de uma onda eletromagnética de entrada. A onda seria então enviada através de um dispositivo de metamaterial.

Uma vez lá dentro, a estrutura do dispositivo mudaria a onda de tal forma que sairia codificada com a solução para uma equação pré-definida.

Os pesquisadores demonstraram esse experimento de prova de conceito pela primeira vez com microondas. Mas o projeto pode ser reduzido a ondas de luz para se encaixar em um microchip.

Esses dispositivos metamateriais funcionariam como computadores analógicos que funcionam com luz em vez de eletricidade. Como tal, eles poderiam resolver equações muito mais rapidamente que suas contrapartes digitais, usando menos energia.

Queijo suíço

“Nosso dispositivo contém um bloco de material dielétrico que tem uma distribuição muito específica de buracos de ar”, disse Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas. “Nossa equipe gosta de chamá-lo de queijo suíço.”

Este dispositivo de queijo suíço tem um padrão de regiões ocas que é configurado para resolver uma equação integral com um determinado “kernel”. Este kernel refere-se à parte da equação que descreve o relacionamento entre duas variáveis.

“Por exemplo, se você estivesse tentando planejar a acústica de uma sala de concertos, poderia escrever uma equação integral em que as entradas representassem as origens do som, como a posição dos alto-falantes ou dos instrumentos, e a intensidade com que tocam. Outras partes da equação representariam a geometria da sala e do material de suas paredes. Resolver essa equação lhe daria o volume em diferentes pontos da sala de concertos”, disse Brian Edwards, membro do laboratório.

Nesta equação integral, as características da sala são representadas pelo kernel da equação. É essa parte da equação que os pesquisadores são capazes de representar de maneira física, através do arranjo dos buracos aéreos do queijo suíço.

“Nosso sistema permite alterar as entradas que representam os locais das fontes de som, alterando as propriedades da onda que você envia para o sistema”, disse Engheta, “mas se você quiser alterar a forma da sala, por exemplo, você terá que fazer um novo kernel.”

Seu dispositivo já está mostrando grande promessa, apesar de ter sido construído com microondas.

“Mesmo neste estágio de prova de conceito, nosso dispositivo é extremamente rápido em comparação com a eletrônica”, diz Engheta. “Com as microondas, nossa análise mostrou que uma solução pode ser obtida em centenas de nanossegundos, e uma vez que a levamos para óptica, a velocidade seria em picossegundos.”

O estudo é publicado na Science.

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