В ИТМО разработали алгоритм, который поможет создавать более чувствительные сенсоры и мощные лазеры
Ученые ИТМО предложили новый способ создания метаповерхностей, которые будут связывать свет и вещество. Метод позволит создавать более энергоэффективные лазеры и чувствительные биосенсоры. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanophotonics.
Для детекции различных веществ и создания лазеров ученые используют метаповерхности. Чтобы повысить чувствительность сенсоров и яркость лазеров, исследователи стараются усилить взаимодействие света и вещества в метаповерхности. Для этого они создают метаповерхности со связанными состояниями континуума (ССК), которые могут удерживать свет бесконечно долго.
Сегодня чтобы получить желанный дизайн метаповерхности и достичь связанного состояния континуума, ученым приходится вручную настраивать различные параметры системы (например, высоту, геометрию решетки), а это требует множества трудоемких вычислений и времени. Кроме того, при помощи такой ручной настройки можно точно регулировать только один параметр ССК – угол падения света или частоту резонанса. Чтобы отрегулировать сразу два параметра необходимо гораздо больше времени.
Ученые ИТМО совместно с коллегами из Франции и Германии разработали алгоритм на основе машинного обучения, который позволяет эффективно получить дизайн метаповерхности со связанным состоянием континуума на определенной частоте излучения и при определенном угле падения света. Физики уже протестировали свою систему на смоделированном бесконечном массиве сферических частиц – погрешность алгоритма составляет всего около 1%.
Сейчас алгоритм – это инструкция по созданию дизайна метаповерхности из диэлектрических материалов. Алгоритм основывается на необходимом угле падения света и его определенной частоте, а также диэлектрических материалах, которые доступны ученым. С помощью машинного обучения система предсказывает, какие геометрические параметры, частицы ядра и оболочки для элементарной ячейки метаповерхности нужно использовать, чтобы получить метаповерхность со связанным состоянием континуума.
Работа открывает путь к более быстрому проектированию метаповерхностей для создания более мощных лазеров и чувствительных биосенсоров.
«В своей работе мы прокладываем путь к общей структуре для обратного проектирования метаповерхностей в нанофотонных структурах. В будущем мы хотим научиться воссоздавать более сложные метаповерхности, в которых будет находиться связанное состояние континуума. Сейчас алгоритм хорошо работает на идеальной, теоретической системе, которая представляет из себя бесконечный набор сфер. В перспективе мы планируем добавить в систему подложку и начать работать с цилиндрами», – рассказал один из авторов статьи, инженер физического факультета Сергей Гладышев.
На основе предложенного алгоритма можно будет разработать полноценную программу, которой смогут пользоваться ученые всего мира.
На фото: Сергей Гладышев. Фото из личного архива