Художественная визуализация процесса интеллектуального восприятия: квантово-геометрические свойства определяют фотореакции, которые затем интерпретируются нейронной сетью. Кредит: Ся группа

Под руководством Фэннянь Ся, адъюнкт-профессора инженерии и науки Бартона Л. Веллера в Йельском университете, и Фань Чжана, адъюнкт-профессора физики Техасского университета в Далласе, результаты опубликованы в журнале Nature .

В последние годы исследователи узнали, что скручивание определенных материалов под определенным углом может образовывать так называемые «муаровые материалы», обладающие ранее неизвестными свойствами. В этом случае исследовательская группа использовала скрученный двойной бислойный графен (TDBG), то есть два атомных слоя естественных сложенных атомов углерода с небольшим вращательным скручиванием, для создания своего сенсорного устройства. Это очень важно, потому что скручивание снижает симметрию кристалла, а материалы с менее симметричными атомными структурами — во многих случаях — обещают некоторые интригующие физические свойства, которых нет у материалов с большей симметрией.

С помощью этого устройства исследователи смогли обнаружить сильное присутствие того, что известно как объемный фотоэлектрический эффект (BPVE), процесс, который преобразует свет в электричество, давая реакцию, сильно зависящую от интенсивности света, поляризации и длины волны. Исследователи обнаружили, что BPVE в TDBG можно дополнительно настраивать с помощью внешних электрических средств, что позволило им создать «двухмерные отпечатки пальцев» фотонапряжения для каждого отдельного падающего света.

Шаофань Юань, аспирант лаборатории Ся и соавтор исследования, придумал применить для расшифровки этих отпечатков пальцев свёрточную нейронную сеть (CNN), тип искусственной нейронной сети, ранее использовавшийся для распознавания изображений. Оттуда они смогли продемонстрировать интеллектуальный фотодетектор.

Его небольшой размер делает его потенциально ценным для таких приложений, как исследование дальнего космоса, медицинские тесты на месте и дистанционное зондирование на автономных транспортных средствах или самолетах. Более того, их работа открывает новый путь для исследования нелинейной оптики на основе муаровых материалов.

«В идеале одно интеллектуальное устройство может заменить несколько громоздких, сложных и дорогих оптических элементов, которые используются для сбора информации о свете, что значительно экономит место и затраты», — сказал Чао Ма, аспирант лаборатории Ся и соавтор исследования.