Физики из Техасского университета в Далласе и их сотрудники из Йельского университета продемонстрировали интеллектуальный квантовый датчик атомарной толщины, который может одновременно обнаруживать все фундаментальные свойства входящей световой волны.

Исследование, опубликованное 13 апреля в журнале Nature, демонстрирует новую концепцию, основанную на квантовой геометрии, которая может найти применение в здравоохранении, исследовании дальнего космоса и дистанционном зондировании.

«Мы в восторге от этой работы, потому что обычно, когда вы хотите охарактеризовать световую волну, вам приходится использовать различные инструменты для сбора информации, такой как интенсивность, длина волны и состояние поляризации света. Эти инструменты громоздки и могут занимать много места. значительная область на оптическом столе», — сказал доктор Фань Чжан, автор исследования и доцент физики в Школе естественных наук и математики.

«Теперь у нас есть одно устройство — всего лишь крошечный и тонкий чип — который может определить все эти свойства одновременно за очень короткое время», — сказал он.

Устройство использует уникальные физические свойства нового семейства двумерных материалов, называемых муаровыми метаматериалами. Чжан, физик-теоретик , опубликовал обзорную статью об этих материалах 2 февраля в журнале Nature .

Двумерные материалы имеют периодическую структуру и имеют атомарную толщину. Если два слоя такого материала наложить друг на друга с небольшим вращательным поворотом, может образоваться муаровый узор с возникающей на порядки большей периодичностью. Полученный муаровый метаматериал обладает электронными свойствами , которые значительно отличаются от свойств одного слоя или двух естественно выровненных слоев.

Сенсорное устройство, которое Чжан и его коллеги выбрали для демонстрации своей новой идеи, включает в себя два слоя относительно скрученного природного двухслойного графена, всего четыре атомных слоя.

«Муаровый метаматериал демонстрирует так называемый объемный фотогальванический эффект, что необычно», — сказал Патрик Чунг, докторант физики в UT Dallas и соавтор исследования. «Обычно вам нужно применить смещение напряжения, чтобы произвести какой-либо ток в материале. Но здесь вообще нет смещения; мы просто освещаем муаровый метаматериал, и свет генерирует ток благодаря этому объемному фотогальваническому эффекту. И величина, и фаза фотонапряжения сильно зависят от интенсивности света , длины волны и состояния поляризации».

По словам Чжана, при настройке муарового метаматериала фотонапряжение, генерируемое данной входящей световой волной, создает 2D-карту, уникальную для этой волны — как отпечаток пальца — и из которой можно вывести свойства волны, хотя сделать это сложно.

Исследователи из лаборатории доктора Фэннянь Ся в Йельском университете, которые сконструировали и испытали устройство, поместили две металлические пластины или ворота сверху и снизу муарового метаматериала. Два ворот позволили исследователям настроить квантово-геометрические свойства материала, чтобы закодировать свойства инфракрасных световых волн в «отпечатки пальцев».

Затем команда использовала сверточную нейронную сеть — алгоритм искусственного интеллекта, который широко используется для распознавания изображений — для декодирования отпечатков пальцев.

«Мы начинаем со света, для которого мы знаем интенсивность, длину волны и поляризацию, пропускаем его через устройство и настраиваем его по-разному, чтобы генерировать разные отпечатки пальцев», — сказал Ченг. «После обучения нейронной сети на наборе данных из примерно 10 000 примеров сеть способна распознавать закономерности, связанные с этими отпечатками пальцев. Как только она узнает достаточно, она может охарактеризовать неизвестный свет ».

Чунг провел теоретические расчеты и анализ, используя ресурсы Техасского передового вычислительного центра, суперкомпьютерного комплекса в кампусе UT в Остине.

«Патрик был хорош в аналитических расчетах карандашом и бумагой — это мой стиль, — но теперь он стал экспертом в использовании суперкомпьютера, который необходим для этой работы», — сказал Чжан. «С одной стороны, наша работа как исследователей состоит в том, чтобы открывать новую науку. С другой стороны, мы, консультанты, хотим помочь нашим студентам узнать, в чем они лучше всего разбираются. Я очень рад, что Патрик и я выяснили и то, и другое».