納米光子學(xué)領(lǐng)域的突破 光在納米尺度上的表現(xiàn)為“超材料”的發(fā)明鋪平了道路

納米光子學(xué)領(lǐng)域的突破——光在納米尺度上的表現(xiàn)——為“超材料”的發(fā)明鋪平了道路，這些超材料具有巨大的應(yīng)用，例如來自遠(yuǎn)程納米傳感的能量收集和醫(yī)學(xué)診斷。然而，它們對日常生活的影響受到復(fù)雜制造工藝的阻礙，誤差很大。

現(xiàn)在，特拉維夫大學(xué)一項(xiàng)新的跨學(xué)科研究發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上，該研究展示了一種簡化基礎(chǔ)納米光子和超材料的設(shè)計(jì)和表征過程的方法。該研究由TAU物理和天文學(xué)院的Haim Suchowski博士和TAU Blavatnik計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的Lior Wolf教授領(lǐng)導(dǎo)，由研究科學(xué)家Michael Mrejen博士和TAU研究生Itzik馬爾基爾、Achiya Nagler和Uri Arieli領(lǐng)導(dǎo)。

“設(shè)計(jì)超材料的過程包括雕刻具有精確電磁響應(yīng)的納米級元素，”姆雷金博士說?！叭欢?，由于所涉及的物理學(xué)的復(fù)雜性，這些元素的設(shè)計(jì)、制造和表征需要大量的重復(fù)測試，這極大地限制了它們的應(yīng)用。”

深度學(xué)習(xí)是精密制造的關(guān)鍵。

沃爾夫教授解釋說：“我們的新方法幾乎完全依賴于深度學(xué)習(xí)，這是一種受人腦分層和層次結(jié)構(gòu)啟發(fā)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?！八亲钕冗M(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)形式之一，負(fù)責(zé)重大的技術(shù)進(jìn)步，包括語音識別、翻譯和圖像處理。我們認(rèn)為這將是設(shè)計(jì)納米光子和超材料的正確方法?！?

科學(xué)家們通過15000次人工實(shí)驗(yàn)為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并教授了納米元素形狀與其電磁響應(yīng)之間的復(fù)雜關(guān)系。“我們已經(jīng)證明，‘訓(xùn)練有素’的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)可以在瞬間預(yù)測制造出的納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀，”蘇考斯基博士說。

研究人員還證明，他們的方法成功地產(chǎn)生了一種新的納米元素設(shè)計(jì)，可以與特定的化學(xué)物質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用。

廣泛適用的結(jié)果

Suchowski博士說：“這些結(jié)果被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括光譜學(xué)和靶向治療，也就是說，可以有效、快速地設(shè)計(jì)出能夠靶向惡意蛋白質(zhì)的納米粒子?！敖?jīng)過數(shù)千次合成實(shí)驗(yàn)，一種新的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首次不僅可以確定納米尺寸物體的尺寸，還可以快速設(shè)計(jì)和表征用于目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)和生物分子的基于表面的光學(xué)元件。

“我們的解決方案恰恰相反。一旦形成形狀，通常需要昂貴的設(shè)備和時(shí)間來確定實(shí)際制造的確切形狀。我們基于計(jì)算機(jī)的解決方案實(shí)現(xiàn)了基于瞬間簡單傳輸?shù)臏y量。”

研究人員還為他們的新方法申請了專利，目前正在擴(kuò)展他們的深度學(xué)習(xí)算法，以包括納米粒子的化學(xué)表征。

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