這種藝術渲染描繪了被稱為莫雷超材料的二維材料的智能傳感過程。超材料的量子幾何性質(zhì)決定了它如何響應傳入的光波。然后，波的基本性質(zhì)由神經(jīng)網(wǎng)絡解釋。來源：耶魯大學夏奉年
德克薩斯大學達拉斯分校物理學家及其在耶魯大學的合作者展示了一種原子薄的智能量子傳感器，可以同時檢測傳入光波的所有基本特性。
這項研究于4月13日發(fā)表在《自然》雜志上，展示了一個基于量子幾何的新概念，可用于醫(yī)療保健、深空探索和遙感應用。
該研究的通訊作者，自然科學與數(shù)學學院物理學副教授表示：因為通常，當你想描述光波時，你必須使用不同的儀器來收集信息，例如光的強度、波長和偏振狀態(tài)。這些儀器體積龐大，可以占據(jù)光學臺上的大量區(qū)域，
現(xiàn)在你只有一個設備——一個微小而薄的芯片——可以在很短的時間內(nèi)同時確定所有這些特性。
該設備利用了被稱為莫伊雷超材料的新型二維材料家族的獨特物理特性。理論物理學家張于2月2日在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關于這些材料的評論文章。
2D材料具有周期性結(jié)構(gòu)，原子薄。如果這種材料的兩層被一個小的旋轉(zhuǎn)扭曲覆蓋，則可以形成具有緊急、數(shù)量級大周期性的莫雷圖案。由此產(chǎn)生的莫伊雷超材料產(chǎn)生的電子特性與單層或兩層自然對齊層表現(xiàn)出的電子特性有很大不同。
張和他的同事選擇展示他們新想法的傳感裝置結(jié)合了兩層相對扭曲的、自然發(fā)生的雙層石墨烯，總共有四層原子層。
UT Dallas的物理博士生、該研究的聯(lián)合作者Patrick Cheung表示，莫雷超材料表現(xiàn)出所謂的散裝光伏效應，這是不尋常的。通常，你必須應用電壓偏置來產(chǎn)生材料中的任何電流。但在這里，根本沒有偏差；我們只是在莫雷超材料上發(fā)光，光線通過這種散裝光伏效應產(chǎn)生電流。光電壓的大小和相位都在很大程度上取決于光強度、波長和偏振狀態(tài)。
通過調(diào)整莫雷超材料，給定入射光波產(chǎn)生的光電壓創(chuàng)造了該波特有的2D地圖——就像指紋一樣——并可以從中推斷出波的性質(zhì)，盡管這樣做具有挑戰(zhàn)性。
耶魯大學的研究人員夏風年實驗室建造并測試了該裝置，在莫雷超材料的頂部和下方放置了兩個金屬板或門。這兩個門允許研究人員調(diào)整材料的量子幾何性質(zhì)，將紅外光波的性質(zhì)編碼為指紋。
然后，該團隊使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（一種廣泛用于圖像識別的人工智能算法）來解碼指紋。
從強度、波長和偏振的光開始，通過設備照亮它，并以不同的方式調(diào)整它，以產(chǎn)生不同的指紋。在用大約10000個示例的數(shù)據(jù)集訓練神經(jīng)網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡能夠識別與這些指紋相關的模式。一旦它學到了足夠的知識，它就可以描述未知的光。
研究利用德克薩斯高級計算中心的資源進行了理論計算和分析，德克薩斯高級計算中心是UT奧斯汀校區(qū)的超級計算機設施。
帕特里克一直擅長鉛筆和紙的分析計算——這是他的風格——但現(xiàn)在他已成為使用超級計算機的專家，這是這項工作所必需的。一方面，他們作為研究人員的工作是發(fā)現(xiàn)新科學。另一方面，希望幫助他們的學生發(fā)現(xiàn)他們最擅長什么。
了解最新前沿科學，關注我就是你最好的選擇！
