Нейросеть научилась начинать не с материала, а с нужного поведения света. Исследователи задают желаемое направление распространения электромагнитного возбуждения, после чего алгоритм вычисляет, из каких атомарно тонких слоёв собрать структуру и под какими углами повернуть слои друг относительно друга. Такой обратный подход фактически превращает скрученные кристаллы в конструктор для управления светом на наномасштабе.
Работу международной группы физиков из Университета Овьедо, испанских исследовательских центров CINN, INMA и DIPC опубликовал журнал Nature Materials 28 августа. Авторы объединили глубокие нейронные сети с так называемой twistoptics, направлением нанооптики, где свойства материала меняют за счёт поворота тонких кристаллических слоёв.
Речь идёт не просто о прохождении обычного луча через прозрачный кристалл. В ван-дер-ваальсовых материалах свет может связываться с колебаниями вещества и образовывать поляритоны, гибридные квазичастицы света и материи. Поляритоны способны распространяться на масштабах значительно меньше длины волны свободного света, поэтому физики рассматривают такие системы как платформу для чрезвычайно компактной нанофотоники.
Особенно интересный эффект возникает при складывании нескольких анизотропных кристаллических слоёв. Поворот одного слоя относительно другого меняет направление, в котором могут двигаться поляритоны. При определённых углах возникает канализация, когда энергия распространяется преимущественно вдоль узкого направления и почти не расходится в стороны. Ранее исследователям приходилось начинать с конкретной структуры, рассчитывать её свойства и искать подходящую комбинацию параметров. Новая нейросеть решает задачу наоборот. Сначала задаётся требуемая картина распространения, затем алгоритм подбирает подходящую конфигурацию многослойного материала.
Авторы проверили подход на слоях альфа-триоксида молибдена α-MoO₃. Нейросеть спроектировала двухслойные и трёхслойные структуры, способные создавать один, два или три выраженных направления распространения поляритонов. Исследователи называют такие режимы канализацией, биканализацией и триканализацией. Эксперименты охватили ранее малоизученный для подобных скрученных структур диапазон 600–800 см⁻¹ в инфракрасной области спектра.
Физики продемонстрировали и более практический сценарий. Вместо проектирования всей структуры с нуля группа взяла существующую двухслойную систему α-MoO₃ и с помощью нейросети рассчитала дополнительный третий слой, который должен изменить распространение поляритонов заданным образом. После добавления рассчитанного слоя исследователи получили требуемую картину распространения и подтвердили результат экспериментальной наноскопией.
Подход не ограничили одним материалом или одной частью спектра. Исследователи применили нейросетевые модели к другим ван-дер-ваальсовым системам и показали возможность поиска структур с канализированным распространением в диапазоне от видимого и ближнего инфракрасного света до терагерцевых частот. Пока речь идёт прежде всего о вычислительном проектировании и лабораторных наноструктурах, а не о готовых универсальных «проводах для света».
Работа меняет сам принцип разработки подобных оптических устройств. Вместо перебора огромного числа материалов, толщин и углов исследователь может описать нужное поведение электромагнитного поля и поручить нейросети поиск подходящей структуры. Авторы считают, что метод пригодится в нанофотонике, сенсорах и системах управления тепловым излучением. В перспективе подобный обратный дизайн может помочь создавать компоненты фотонных схем, где путь энергии задаёт не металлический проводник, а геометрия нескольких атомарно тонких кристаллов.