Denna konstnärliga återgivning skildrar den intelligenta avkänningsprocessen av tvådimensionella material som kallas moiré-metamaterial. Metamaterialets kvantgeometriska egenskaper avgör hur det reagerar på en inkommande ljusvåg. Vågens grundläggande egenskaper tolkas sedan av ett neuralt nätverk. Kredit:Dr. Fengnian Xia, Yale University
University of Texas i Dallas fysiker och deras medarbetare vid Yale University har demonstrerat en atomärt tunn, intelligent kvantsensor som samtidigt kan detektera alla grundläggande egenskaper hos en inkommande ljusvåg.
Forskningen publicerades den 13 april i tidskriften Nature , demonstrerar ett nytt koncept baserat på kvantgeometri som kan användas inom hälsovård, djuprymdutforskning och fjärranalysapplikationer.
"Vi är entusiastiska över det här arbetet eftersom man vanligtvis, när man vill karakterisera en ljusvåg, måste använda olika instrument för att samla in information, såsom ljusets intensitet, våglängd och polarisationstillstånd. Dessa instrument är skrymmande och kan ockupera ett betydande område på ett optiskt bord", säger Dr. Fan Zhang, motsvarande författare till studien och docent i fysik vid School of Natural Sciences and Mathematics.
"Nu har vi en enda enhet - bara ett litet och tunt chip - som kan bestämma alla dessa egenskaper samtidigt på mycket kort tid", sa han.
Enheten utnyttjar de unika fysiska egenskaperna hos en ny familj av tvådimensionella material som kallas moiré-metamaterial. Zhang, en teoretisk fysiker, publicerade en översiktsartikel om dessa material den 2 februari i Nature .
2D-materialen har periodiska strukturer och är atomärt tunna. Om två lager av ett sådant material överlagras med en liten rotationsvridning, kan ett moirémönster med en framträdande, storleksordningar större periodicitet bildas. Det resulterande moiré-metamaterialet ger elektroniska egenskaper som skiljer sig väsentligt från dem som uppvisas av ett enda lager ensamt eller av två naturligt inriktade lager.
Avkänningsanordningen som Zhang och hans kollegor valde för att demonstrera sin nya idé innehåller två lager av relativt vriden, naturligt förekommande dubbelskiktsgrafen, för totalt fyra atomlager.
"Moiré-metamaterialet uppvisar vad som kallas en solcellseffekt i bulk, vilket är ovanligt", säger Patrick Cheung, doktorand i fysik vid UT Dallas och medförfattare till studien. "Normalt måste du lägga på en spänningsförspänning för att producera vilken ström som helst i ett material. Men här finns det ingen förspänning alls, vi lyser helt enkelt ett ljus på moiré-metamaterialet, och ljuset genererar en ström via denna bulkfotovoltaiska effekt. Både storleken och fasen av fotospänningen är starkt beroende av ljusintensiteten, våglängden och polarisationstillståndet."
Genom att justera moiré-metamaterialet skapar fotospänningen som genereras av en given inkommande ljusvåg en 2D-karta som är unik för den vågen – som ett fingeravtryck – och från vilken vågens egenskaper kan härledas, även om det är utmanande att göra det, sa Zhang.
Forskare i Dr Fengnian Xias labb vid Yale University, som konstruerade och testade enheten, placerade två metallplattor, eller grindar, ovanpå och under moiré-metamaterialet. De två grindarna gjorde det möjligt för forskarna att justera materialets kvantgeometriska egenskaper för att koda de infraröda ljusvågornas egenskaper till "fingeravtryck."
Teamet använde sedan ett konvolutionellt neuralt nätverk – en artificiell intelligensalgoritm som används flitigt för bildigenkänning – för att avkoda fingeravtrycken.
"Vi börjar med ljus för vilket vi känner till intensiteten, våglängden och polariseringen, lyser det genom enheten och ställer in det på olika sätt för att generera olika fingeravtryck," sa Cheung. "Efter att ha tränat det neurala nätverket med en datamängd på cirka 10 000 exempel kan nätverket känna igen mönstren som är associerade med dessa fingeravtryck. När det väl lärt sig tillräckligt kan det karakterisera ett okänt ljus."
Cheung utförde teoretiska beräkningar och analyser med hjälp av resurserna från Texas Advanced Computing Center, en superdatoranläggning på UT Austin campus.
"Patrick har varit bra på analytiska beräkningar med penna och papper - det är min stil - men nu har han blivit expert på att använda en superdator, vilket krävs för det här arbetet," sa Zhang. "Å ena sidan är vårt jobb som forskare att upptäcka ny vetenskap. Å andra sidan vill vi rådgivare hjälpa våra studenter att upptäcka vad de är bäst på. Jag är väldigt glad att jag och Patrick kom på båda." + Utforska vidare
