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德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校物理學(xué)家及其在耶魯大學(xué)的合作者展示了一種原子薄的智能量子傳感器，可以同時(shí)檢測傳入光波的所有基本特性。

這項(xiàng)研究于4月13日發(fā)表在《自然》雜志上，展示了一個(gè)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(yīng)用。

該研究的通訊作者，自然科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授表示：“因?yàn)橥ǔ?，?dāng)你想描述光波時(shí)，你必須使用不同的儀器來收集信息，例如光的強(qiáng)度、波長和偏振狀態(tài)。這些儀器體積龐大，可以占據(jù)光學(xué)臺(tái)上的大量區(qū)域，”

現(xiàn)在你只有一個(gè)設(shè)備——一個(gè)微小而薄的芯片——可以在很短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)確定所有這些特性。

該設(shè)備利用了被稱為莫伊雷超材料的新型二維材料家族的獨(dú)特物理特性。理論物理學(xué)家張于2月2日在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)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(gè)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(yīng)，這是不尋常的。通常，你必須應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度、波長和偏振狀態(tài)?！?/p>

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(xué)的研究人員夏風(fēng)年實(shí)驗(yàn)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(gè)金屬板或門。這兩個(gè)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(tuán)隊(duì)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（一種廣泛用于圖像識(shí)別的人工智能算法）來解碼指紋。

從強(qiáng)度、波長和偏振的光開始，通過設(shè)備照亮它，并以不同的方式調(diào)整它，以產(chǎn)生不同的指紋?！霸谟么蠹s10000個(gè)示例的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別與這些指紋相關(guān)的模式。一旦它學(xué)到了足夠的知識(shí)，它就可以描述未知的光。

研究利用德克薩斯高級計(jì)算中心的資源進(jìn)行了理論計(jì)算和分析，德克薩斯高級計(jì)算中心是UT奧斯汀校區(qū)的超級計(jì)算機(jī)設(shè)施。

帕特里克一直擅長鉛筆和紙的分析計(jì)算——這是他的風(fēng)格——但現(xiàn)在他已成為使用超級計(jì)算機(jī)的專家，這是這項(xiàng)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(xué)。另一方面，希望幫助他們的學(xué)生發(fā)現(xiàn)他們最擅長什么。

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