Mirage-software automatiserer design af optiske metamaterialer

Sandia National Laboratories har skabt den første inverse-design software til optiske metamaterialer-hvilket betyder, at brugerne starter med at beskrive det resultat, de ønsker, og softwaren udfylder trinene for at komme dertil. Den moderne designtilgang tager gætteværk ud af ingeniørkendte endnu teoretiske teknologier som ultrakompakt, højtydende kameraer og tilslørende panser, der kan gøre bærerne usynlige for opdagelse.

Sandia bruger designhjælpen, kaldet Mirage, i sine forsknings- og udviklingsprogrammer og frigav en testversion til udvalgte samarbejdspartnere sidste år. Nu, forskere, der arbejder på statslige metamaterialeprojekter, kan anmode om en licens uden omkostninger.

Menneskeskabt, optiske metamaterialer er blevet udråbt i mere end et årti for deres evne til at manipulere lys på ekstraordinære måder. I teorien, satellitbilleder og interstellare teleskoper kunne være dramatisk mindre med metamaterialelinser hundrede gange tyndere end konventionelle. Eller, teknologien kan en dag føre til tilsløring af materialer, der afbøjer lys omkring dem, gør objekter umulige at se.

Mirage forenkler og automatiserer designprocessen for materialer, der ville være nødvendige for disse teknologier.

Mirage tager gætterier ud af designet

Feltet med optiske metamaterialer har hidtil kæmpet for at leve op til alt sit opfattede løfte om at revolutionere optik. En vanskelighed for ingeniører har været, at metamaterialer er lavet af små byggesten, kaldet meta-atomer, som kan designes i utallige variationer. En bestemt form, samlet, kan bøje lys. Skift den form, størrelsen, afstanden eller materialet, og som kan forstærke effekten eller formindske den eller få noget helt andet til at ske, som at vride lyset i en eller anden retning eller ændre dens intensitet eller farve.

"Det har været meget svært at forudsige, hvad hovedparten af ​​'homogeniserede' egenskaber vil være, "sagde Mike Fiddy, en programleder i Defence Advanced Research Projects Agency, eller DARPA, som finansierede softwareudviklingen.

Anden software kan simulere, hvad meta-atomer vil gøre for at tænde, men det tillader kun forskere at bruge intuition til at eksperimentere med forskellige designs, indtil de snubler over eller kedeligt finder ud af den adfærd, de ønsker.

På trods af udfordringen, nogle forskere har haft succes med at skabe fantasifulde metamateriale enheder. Sandia opfandt en enhed, der omdanner varme til elektricitet, muligvis til mere brændstofeffektive motorer, og en lysblandingsteknologi, der kan føre til en ny, foranderlig, flerfarvet lyskilde, som kunne fremskynde alle former for forskning fra arkæologi til biomedicin.

Men i det hele taget, sagde Sandia-videnskabsmanden Ihab El-Kady, metamaterialevirksomheden har haft brug for et løft.

"Vi kan umuligt løse dette problem ved at prøve og fejle, "sagde El-Kady, der undfangede Mirage. "I stedet, vi kunne gøre det modsatte. Vi kunne sige:'Her er den adfærd, jeg ønsker. Fortæl mig nu, hvordan metamaterialet ser ud. '"

Intet værktøj brugte denne inverse-design tilgang. Så, El-Kady og hans team på Sandias National Security Photonics Center byggede en.

Brugervenlig vejledning til at udnytte 100-plus skabeloner

Mirage lader brugerne starte med at fortælle den optiske egenskab, de ønsker - hvordan deres metamateriale skal interagere med lys - og deres udgangsmaterialer. Mirage genererer designs, der matcher disse kriterier, fra et bibliotek med mere end 100 skabeloner. Eller, brugere kan tegne deres egne designs, og programmet vil tjekke dem for fejl.

"En mere systematisk tilgang til design af metamaterialer bør i høj grad fremskynde deres anvendelse i forskellige anvendelsesområder, "eliminering af mere almindeligt anvendte, intuition-baserede tilgange, sagde Fiddy.

DARPA fremhævede Mirage som en førsteklasses teknologi på bureauets 60 -års jubilæumssymposium i Fort Washington, Maryland, viser dets vidtrækkende anvendelser.

"Mirage er et alt-i-et værktøj, "Sagde El-Kady." Det fortæller dig ikke kun, hvordan metamaterialet ser ud, det giver dig mulighed for at udforske forskellige konfigurationer, simulere systemet, validere den valgte adfærd, visualiser sit svar og optimer dets funktionalitet inden for dine fabrikationsbegrænsninger. "

Software forfiner kraftfulde ideer

Oven i købet, sagde Sandia seniorforsker Igal Brener, der bruger softwaren i sin metamaterialeforskning, Mirage er nyttig, fordi den indeholder algoritmer, der hjælper forskere med at få den bedste ydeevne fra deres opfindelser.

Breners team har tidligere skabt et materiale, der kan blande to lasere for at producere 11 farver på én gang, inklusive infrarødt og ultraviolet lys. Potentielt, denne teknologi kunne udvikles til afstembare lasere, der erstatter ensfarvede.

Men nogle af disse farver er for svage til at være nyttige, så han udforsker måder at gøre output lysere på. Andre softwarepakker, Brener har brugt, omfatter enkle optimeringsalgoritmer. Imidlertid, for at bruge mere avancerede algoritmer skal han supplere disse pakker med sin egen kodning. Ikke sådan med Mirage.

"Optimeringsteknikker findes i mange forskellige varianter, "sagde han." Mirage er den eneste softwarepakke, jeg kender til, som har de komplekse optimeringsteknikker, jeg har brug for indbygget. "

Hvis den første lancering lykkes, Sandia planlægger at udvikle en anden version af Mirage, foreløbigt kaldet Mirage Elite, der ville introducere en stigning i optimeringen ved automatisk at omforme meta-atomer til bizarre og mærkelige former i jagten på uopdaget adfærd.