En intelligent kvantesensor, der samtidig registrerer lysets intensitet, polarisering og bølgelængde

Et team af forskere har bygget en intelligent sensor - på størrelse med omkring 1/1000 af tværsnittet af et menneskehår - der samtidig kan detektere lysets intensitet, polarisering og bølgelængde og udnytte elektronernes kvanteegenskaber. Det er et gennembrud, der kunne hjælpe med at fremme områderne astronomi, sundhedspleje og fjernmåling.

Anført af Fengnian Xia, Barton L. Weller-lektor i teknik og videnskab ved Yale og Fan Zhang, lektor i fysik ved University of Texas i Dallas, er resultaterne offentliggjort i Nature .

Forskere har erfaret i de senere år, at vridning af visse materialer i bestemte vinkler kan danne det, der er kendt som "moiré-materialer", som fremkalder tidligere uopdagede egenskaber. I dette tilfælde brugte forskerholdet snoet dobbelt-dobbelt-grafen (TDBG) - det vil sige to atomlag af naturlige stablede kulstofatomer givet en lille rotationsdrejning - til at bygge deres sensorenhed. Dette er kritisk, fordi drejningen reducerer krystalsymmetrien, og materialer med atomare strukturer, der er mindre symmetriske – i mange tilfælde – lover nogle spændende fysiske egenskaber, som ikke findes hos dem med større symmetri.

Med denne enhed var forskerne i stand til at detektere en stærk tilstedeværelse af det, der er kendt som bulk photovoltaic effect (BPVE), en proces, der omdanner lys til elektricitet, hvilket giver en respons stærkt afhængig af lysintensiteten, polariseringen og bølgelængden. Forskerne fandt ud af, at BPVE i TDBG yderligere kan indstilles ved hjælp af eksterne elektriske midler, som gjorde det muligt for dem at skabe "2D-fingeraftryk" af fotospændingerne for hvert forskelligt indfaldende lys.

Shaofan Yuan, en kandidatstuderende i Xias laboratorium og medforfatter af undersøgelsen, fik ideen til at anvende et konvolutionelt neuralt netværk (CNN), en type kunstigt neuralt netværk, der tidligere blev brugt til billedgenkendelse, til at dechifrere disse fingeraftryk. Derfra var de i stand til at demonstrere en intelligent fotodetektor.

Dens lille størrelse gør den potentielt værdifuld til applikationer såsom udforskning af dybt rum, in-situ medicinske test og fjernmåling på autonome køretøjer eller fly. Desuden afslører deres arbejde en ny vej til undersøgelse af ikke-lineær optik baseret på moiré-materialer.

"Ideelt set kan en enkelt intelligent enhed erstatte adskillige omfangsrige, komplekse og dyre optiske elementer, der bruges til at fange informationen om lys, hvilket dramatisk sparer plads og omkostninger," sagde Chao Ma, en kandidatstuderende i Xias laboratorium og medforfatter. af undersøgelsen. + Udforsk yderligere

Forskere forbedrer ladningstæthedsbølger ved moiré-teknik i snoede hterostrukturer