Fysikere opfinder intelligent kvantesensor for lysbølger

University of Texas i Dallas fysikere og deres samarbejdspartnere ved Yale University har demonstreret en atomisk tynd, intelligent kvantesensor, der samtidigt kan detektere alle de grundlæggende egenskaber ved en indkommende lysbølge.

Forskningen blev offentliggjort 13. april i tidsskriftet Nature , demonstrerer et nyt koncept baseret på kvantegeometri, der kunne finde anvendelse i sundhedspleje, udforskning af dybt rum og fjernmålingsapplikationer.

"Vi er begejstrede for dette arbejde, fordi man typisk, når man vil karakterisere en lysbølge, skal bruge forskellige instrumenter til at indsamle information, såsom lysets intensitet, bølgelængde og polarisationstilstand. Disse instrumenter er omfangsrige og kan optage et betydeligt område på et optisk bord," sagde Dr. Fan Zhang, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen og lektor i fysik på School of Natural Sciences and Mathematics.

"Nu har vi en enkelt enhed - bare en lille og tynd chip - der kan bestemme alle disse egenskaber samtidigt på meget kort tid," sagde han.

Enheden udnytter de unikke fysiske egenskaber af en ny familie af todimensionelle materialer kaldet moiré-metamaterialer. Zhang, en teoretisk fysiker, udgav en oversigtsartikel om disse materialer 2. februar i Nature .

2D-materialerne har periodiske strukturer og er atomisk tynde. Hvis to lag af et sådant materiale overlejres med en lille rotationsdrejning, kan der dannes et moiré-mønster med en opstået, større størrelsesorden større periodicitet. Det resulterende moiré-metamateriale giver elektroniske egenskaber, der adskiller sig væsentligt fra dem, der udvises af et enkelt lag alene eller af to naturligt justerede lag.

Den føleanordning, som Zhang og hans kolleger valgte for at demonstrere deres nye idé, inkorporerer to lag relativt snoet, naturligt forekommende tolagsgrafen, i alt fire atomlag.

"Moiré-metamaterialet udviser, hvad der kaldes en bulk fotovoltaisk effekt, hvilket er usædvanligt," sagde Patrick Cheung, en fysikdoktorand ved UT Dallas og medforfatter af undersøgelsen. "Normalt er man nødt til at anvende en spændingsforspænding for at producere en hvilken som helst strøm i et materiale. Men her er der ingen forspænding overhovedet; vi skinner simpelthen et lys på moiré-metamaterialet, og lyset genererer en strøm via denne bulk-fotovoltaiske effekt. Både størrelsen og fasen af ​​fotospændingen er stærkt afhængig af lysintensiteten, bølgelængden og polarisationstilstanden."

Ved at justere moiré-metamaterialet skaber fotospændingen, der genereres af en given indkommende lysbølge, et 2D-kort, der er unikt for den bølge – som et fingeraftryk – og hvorfra bølgens egenskaber kan udledes, selvom det er udfordrende at gøre det, sagde Zhang.

Forskere i Dr. Fengnian Xias laboratorium ved Yale University, som konstruerede og testede enheden, placerede to metalplader eller porte ovenpå og under moiré-metamaterialet. De to porte gjorde det muligt for forskerne at tune materialets kvantegeometriske egenskaber for at kode de infrarøde lysbølgers egenskaber til "fingeraftryk."

Holdet brugte derefter et foldet neuralt netværk - en kunstig intelligens-algoritme, der er meget brugt til billedgenkendelse - til at afkode fingeraftrykkene.

"Vi starter med lys, for hvilket vi kender intensiteten, bølgelængden og polariseringen, skinner det gennem enheden og tuner det på forskellige måder for at generere forskellige fingeraftryk," sagde Cheung. "Efter at have trænet det neurale netværk med et datasæt på omkring 10.000 eksempler, er netværket i stand til at genkende de mønstre, der er forbundet med disse fingeraftryk. Når det først lærer nok, kan det karakterisere et ukendt lys."

Cheung udførte teoretiske beregninger og analyser ved hjælp af ressourcerne fra Texas Advanced Computing Center, en supercomputer-facilitet på UT Austin-campus.

"Patrick har været god til blyant-og-papir analytiske beregninger - det er min stil - men nu er han blevet en ekspert i at bruge en supercomputer, som er påkrævet til dette arbejde," sagde Zhang. "På den ene side er vores opgave som forskere at opdage ny videnskab. På den anden side vil vi rådgivere gerne hjælpe vores studerende med at opdage, hvad de er bedst til. Jeg er meget glad for, at Patrick og jeg fandt ud af begge dele." + Udforsk yderligere

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