Fysikere finner opp intelligent kvantesensor av lysbølger

University of Texas i Dallas fysikere og deres samarbeidspartnere ved Yale University har demonstrert en atomisk tynn, intelligent kvantesensor som samtidig kan oppdage alle de grunnleggende egenskapene til en innkommende lysbølge.

Forskningen, publisert 13. april i tidsskriftet Naturdemonstrerer et nytt konsept basert på kvantegeometri som kan finne bruk i helsevesen, dypromsutforskning og fjernmålingsapplikasjoner.

“Vi er begeistret for dette arbeidet fordi typisk, når du ønsker å karakterisere en lysbølge, må du bruke forskjellige instrumenter for å samle informasjon, for eksempel lysets intensitet, bølgelengde og polarisasjonstilstand. Disse instrumentene er klumpete og kan oppta et betydelig område på et optisk bord,” sa Dr. Fan Zhang, en tilsvarende forfatter av studien og førsteamanuensis i fysikk ved School of Natural Sciences and Mathematics.

“Nå har vi en enkelt enhet – bare en liten og tynn brikke – som kan bestemme alle disse egenskapene samtidig på veldig kort tid,” sa han.

Enheten utnytter de unike fysiske egenskapene til en ny familie av todimensjonale materialer kalt moiré-metamaterialer. Zhang, a teoretisk fysikerpubliserte en oversiktsartikkel om disse materialene 2. februar in Natur.

2D-materialene har periodiske strukturer og er atomtynne. Hvis to lag av et slikt materiale overlegges med en liten rotasjonsvri, kan det dannes et moirémønster med en fremtredende, større størrelsesorden større periodisitet. Det resulterende moiré-metamaterialet gir etter elektroniske egenskaper som skiller seg betydelig fra de som vises av et enkelt lag alene eller av to naturlig justerte lag.

Føleenheten som Zhang og kollegene hans valgte for å demonstrere sin nye idé, inneholder to lag med relativt vridd, naturlig forekommende tolagsgrafen, for totalt fire atomlag.

“Moiré-metamaterialet viser det som kalles en bulk fotovoltaisk effekt, noe som er uvanlig,” sa Patrick Cheung, en doktorgradsstudent i fysikk ved UT Dallas og medforfatter av studien. “Vanligvis må du bruke en spenningsforspenning for å produsere strøm i et materiale. Men her er det ingen skjevhet i det hele tatt; vi skinner ganske enkelt et lys på moiré-metamaterialet, og lyset genererer en strøm via denne bulk-fotovoltaiske effekten. Både størrelsen og fasen til fotospenningen er sterkt avhengig av lysintensitetbølgelengde og polarisasjonstilstand.”

Ved å justere moiré-metamaterialet, skaper fotospenningen generert av en gitt innkommende lysbølge et 2D-kart som er unikt for den bølgen – som et fingeravtrykk – og som bølgens egenskaper kan utledes fra, selv om det er utfordrende å gjøre det, sa Zhang.

Forskere i Dr. Fengnian Xias laboratorium ved Yale University, som konstruerte og testet enheten, plasserte to metallplater, eller porter, på toppen og under moiré-metamaterialet. De to portene tillot forskerne å justere de kvantegeometriske egenskapene til materialet for å kode de infrarøde lysbølgenes egenskaper til “fingeravtrykk”.

Teamet brukte deretter en konvolusjonelt nevrale nettverk— en kunstig intelligensalgoritme som er mye brukt for bildegjenkjenning — for å dekode fingeravtrykkene.

“Vi starter med lys som vi kjenner intensiteten, bølgelengden og polarisasjonen for, skinner det gjennom enheten og justerer det på forskjellige måter for å generere forskjellige fingeravtrykk,” sa Cheung. “Etter å ha trent nevrale nettverket med et datasett på rundt 10 000 eksempler, er nettverket i stand til å gjenkjenne mønstrene knyttet til disse fingeravtrykkene. Når den først lærer nok, kan den karakterisere en ukjent lys.”

Cheung utførte teoretiske beregninger og analyser ved å bruke ressursene til Texas Advanced Computing Center, et superdatamaskinanlegg på UT Austin campus.

“Patrick har vært god på blyant-og-papir analytiske beregninger – det er min stil – men nå har han blitt en ekspert på å bruke en superdatamaskin, som kreves for dette arbeidet,” sa Zhang. “På den ene siden er jobben vår som forskere å oppdage ny vitenskap. På den andre siden ønsker vi rådgivere å hjelpe studentene våre med å finne ut hva de er best på. Jeg er veldig glad for at Patrick og jeg fant ut begge deler.”

---

---