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計算機科學(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。“然而,由于所涉及的物理學(xué)的復(fù)雜性,這些元素的設(shè)計、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)的計算機網(wǎng)絡(luò)。“它是最先進(jìn)的機器學(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次人工實驗為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)提供了一個網(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?!拔覀円呀?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,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)計出能夠靶向惡意蛋白質(zhì)的納米粒子。“經(jīng)過數(shù)千次合成實驗,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)備和時間來確定實際制造的確切形狀。我們基于計算機的解決方案實現(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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