Konstnärlig återgivning av den intelligenta avkänningsprocessen:kvantgeometriska egenskaper bestämmer fotosvaren, som sedan tolkas av ett neuralt nätverk. Kredit:Xia group
Ett team av forskare har byggt en intelligent sensor - storleken på cirka 1/1000 av tvärsnittet av ett människohår - som samtidigt kan upptäcka ljusets intensitet, polarisation och våglängd och utnyttja elektronernas kvantegenskaper. Det är ett genombrott som kan bidra till att främja områdena astronomi, hälsovård och fjärranalys.
Ledda av Fengnian Xia, Barton L. Weller docent i teknik och vetenskap vid Yale och Fan Zhang, docent i fysik vid University of Texas i Dallas, publiceras resultaten i Nature .
Forskare har lärt sig på senare år att vridning av vissa material i specifika vinklar kan bilda så kallade "moirématerial", som framkallar tidigare oupptäckta egenskaper. I det här fallet använde forskargruppen vriden dubbelskiktsgrafen (TDBG) - det vill säga två atomlager av naturliga staplade kolatomer med en liten rotationsvridning - för att bygga sin avkänningsenhet. Detta är avgörande eftersom vridningen minskar kristallsymmetrin, och material med atomstrukturer som är mindre symmetriska – i många fall – lovar några spännande fysikaliska egenskaper som inte finns hos de med större symmetri.
Med den här enheten kunde forskarna upptäcka en stark närvaro av vad som kallas bulk photovoltaic effect (BPVE), en process som omvandlar ljus till elektricitet, vilket ger ett svar starkt beroende av ljusets intensitet, polarisation och våglängd. Forskarna fann att BPVE i TDBG kan ställas in ytterligare med externa elektriska medel, vilket gjorde det möjligt för dem att skapa "2D-fingeravtryck" av fotospänningarna för varje infallande ljus.
Shaofan Yuan, en doktorand i Xias labb och medförfattare till studien, hade idén att använda ett konvolutionellt neuralt nätverk (CNN), en typ av artificiellt neuralt nätverk som tidigare använts för bildigenkänning, för att dechiffrera dessa fingeravtryck. Därifrån kunde de demonstrera en intelligent fotodetektor.
Dess ringa storlek gör den potentiellt värdefull för applikationer som djupa rymdutforskningar, medicinska tester på plats och fjärranalys på autonoma fordon eller flygplan. Dessutom avslöjar deras arbete en ny väg för undersökning av olinjär optik baserad på moirématerial.
"Helst sett kan en enda intelligent enhet ersätta flera skrymmande, komplexa och dyra optiska element som används för att fånga information om ljus, vilket dramatiskt sparar utrymme och kostnader", säger Chao Ma, doktorand i Xias labb och medförfattare. av studien. + Utforska vidare
