提起超材料，首先映入我們腦海中的就是 “哈利波特式的隱身斗篷”，但科學(xué)家們可謂是世界上最能物盡其用的一群人。這不，美國科學(xué)家最近就模擬出了超材料計(jì)算器，有望被用來執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而快速地處理圖形和圖像。相關(guān)研究發(fā)表在近期出版的 《科學(xué)》雜志上。

超材料是具有奇異光學(xué)性能的人工復(fù)合材料，它能夠彎曲、散射、傳輸電磁輻射，甚至讓電磁輻射以特定的路徑傳播，而自然材料完全無法做到這些。從原理上來說，超材料通過讓光線在遇到物體時(shí) “繞道而走”的原理，從而使物體不可見。最近幾年，隨著科學(xué)家們在超材料領(lǐng)域的研究不斷地取得突破，各式各樣、能對光進(jìn)行操控的工具也層出不窮。

賓夕法尼亞大學(xué)教授納德·恩赫塔和同事并不滿足于用超材料來制造 “隱形斗篷”，他們決定利用已經(jīng)過時(shí)的模擬計(jì)算理念，為超材料找到其他新用途。

目前的數(shù)字計(jì)算機(jī)建立在電子開關(guān)的開和關(guān)的基礎(chǔ)上，但其 “前輩”——模擬計(jì)算機(jī)則是基于不同的電子或力學(xué)屬性來工作的。對數(shù)計(jì)算尺就是一個(gè)例證，它是一個(gè)模擬計(jì)算機(jī)，在上世紀(jì)70年代前使用廣泛，之后被電子計(jì)算器取代，成為過時(shí)技術(shù)。

模擬計(jì)算機(jī)的精度囿于當(dāng)時(shí)所用材料的限制，例如：任何在計(jì)算時(shí)需要移動的零件都受制于其能做得多小。但超材料主要依靠光來工作，因此沒有這種限制。恩赫塔團(tuán)隊(duì)模擬了一種擁有求導(dǎo)和積分等計(jì)算功能的超材料 （由硅和摻雜鋁的氧化鋅精確地逐層交替組成），以及其他基本的超材料工具。

這種超材料計(jì)算機(jī)之所以能夠工作，是因?yàn)楣獠梢栽诳臻g中畫出數(shù)學(xué)曲線。在計(jì)算中，求導(dǎo)描述的是曲線在不同點(diǎn)的斜率；而積分則表示的是這些曲線所包圍的面積，該模擬計(jì)算機(jī)通過改變光波的輪廓來執(zhí)行這些數(shù)學(xué)計(jì)算。例如：如果朝超材料照射一束光 （描述y=x2這樣的拋物線）計(jì)算求導(dǎo)，那么另一邊出來的光的輪廓描述的就是可用y=2x描述的一條直線。

接下來，他們計(jì)劃制造出這種超材料，以進(jìn)一步地測試這一概念。如果其能工作，那么從理論上而言，其能被整合進(jìn)相機(jī)透鏡內(nèi)以執(zhí)行包括模式識別等在內(nèi)的圖像處理任務(wù)。目前這種任務(wù)由一塊普通的計(jì)算芯片對像素進(jìn)行逐個(gè)檢測來完成，但由超材料制成的模擬計(jì)算機(jī)則能即刻處理完整圖像。

“最新實(shí)驗(yàn)為超材料開辟了新的研究方向?！庇蹏砉W(xué)院的約翰·彭德瑞表示， “除此之外，這種設(shè)備也能用來執(zhí)行其他計(jì)算?！?/p>