2022-09-08

Изобретён интеллектуальный квантовый датчик световых волн

Физики из Техасского университета в Далласе и их сотрудники из Йельского университета продемонстрировали интеллектуальный квантовый датчик атомарной толщины, который может одновременно обнаруживать все фундаментальные свойства входящей световой волны. Исследование, опубликованное 13 апреля в журнале Nature, демонстрирует новую концепцию, основанную на квантовой геометрии, которая может найти применение в здравоохранении, исследовании дальнего космоса и дистанционном зондировании.

Эта художественная визуализация изображает интеллектуальный процесс восприятия двумерных материалов, называемых муаровыми метаматериалами. Квантовые геометрические свойства метаматериала определяют, как он реагирует на входящую световую волну. Затем нейронная сеть интерпретирует фундаментальные свойства волны. Предоставлено: д-р Фэннянь Ся, Йельский университет.

«Мы в восторге от этой работы, потому что обычно, когда вы хотите охарактеризовать световую волну, вам приходится использовать различные инструменты для сбора информации, такой как интенсивность, длина волны и состояние поляризации света. Эти инструменты громоздки и могут занимать значительную область на оптическом столе», — сказал доктор Фань Чжан, автор исследования и доцент физики в Школе естественных наук и математики.

«Теперь у нас есть одно устройство — всего лишь крошечный и тонкий чип — который может определить все эти свойства одновременно за очень короткое время», — сказал он.

Устройство использует уникальные физические свойства нового семейства двумерных материалов, называемых муаровыми метаматериалами. Чжан, физик-теоретик, опубликовал обзорную статью об этих материалах 2 февраля в журнале Nature .

Двумерные материалы имеют периодическую структуру и имеют атомарную толщину. Если два слоя такого материала наложить друг на друга с небольшим вращательным поворотом, может образоваться муаровый узор с возникающей на порядки большей периодичностью. Полученный муаровый метаматериал обладает электронными свойствами, которые значительно отличаются от свойств одного слоя или двух естественно выровненных слоев.

Сенсорное устройство, которое Чжан и его коллеги выбрали для демонстрации своей новой идеи, включает в себя два слоя относительно скрученного природного двухслойного графена, всего четыре атомных слоя.

«Муаровый метаматериал демонстрирует так называемый объемный фотогальванический эффект, что необычно», — сказал Патрик Чунг, докторант физики в UT Dallas и соавтор исследования. «Обычно вам нужно применить смещение напряжения, чтобы произвести какой-либо ток в материале. Но здесь вообще нет смещения; мы просто освещаем муаровый метаматериал, и свет генерирует ток благодаря этому объемному фотогальваническому эффекту. И величина, и фаза фотонапряжения сильно зависят от интенсивности света, длины волны и состояния поляризации».

По словам Чжана, при настройке муарового метаматериала фотонапряжение, генерируемое данной входящей световой волной, создает 2D-карту, уникальную для этой волны — как отпечаток пальца — и из которой можно вывести свойства волны, хотя сделать это сложно.

Исследователи из лаборатории доктора Фэннянь Ся в Йельском университете, которые сконструировали и испытали устройство, поместили две металлические пластины или ворота сверху и снизу муарового метаматериала. Это позволило исследователям настроить квантово-геометрические свойства материала, чтобы закодировать свойства инфракрасных световых волн в «отпечатки пальцев».

Затем команда использовала сверточную нейронную сеть — алгоритм искусственного интеллекта, который широко используется для распознавания изображений — для декодирования отпечатков пальцев.

«Мы начинаем со света, для которого мы знаем интенсивность, длину волны и поляризацию, пропускаем его через устройство и настраиваем его по-разному, чтобы генерировать разные отпечатки пальцев», — сказал Ченг. «После обучения нейронной сети на наборе данных из примерно 10 000 примеров сеть способна распознавать закономерности, связанные с этими отпечатками пальцев. Как только она узнает достаточно, она может охарактеризовать неизвестный свет ».

Чунг провел теоретические расчеты и анализ, используя ресурсы Техасского передового вычислительного центра, суперкомпьютерного комплекса в кампусе UT в Остине.

«Патрик был хорош в аналитических расчетах карандашом и бумагой — это мой стиль, — но теперь он стал экспертом в использовании суперкомпьютера, который необходим для этой работы», — сказал Чжан. «С одной стороны, наша работа как исследователей состоит в том, чтобы открывать новую науку. С другой стороны, мы, консультанты, хотим помочь нашим студентам узнать, в чем они лучше всего разбираются. Я очень рад, что Патрик и я выяснили и то, и другое».



PhysReal • Физическая реальность

Администрация не несет ответственности за достоверность информации, опубликованной в рекламных объявлениях. Материалы, опубликованные в блогах, отражают позиции их авторов, которые могут не совпадать с мнением редакции. Использование публикаций сайта разрешается при наличии прямой ссылки на PhysReal.
Контактный E-mail:

Telegram: https://t.me/physreal
ВКонтакте: https://vk.com/physreal
RSS (XML): Новости физики

Copyright © 2024 Development by Programilla.com