Le nanostrutture fotoniche possono essere utilizzate per molte applicazioni oltre alle celle solari, ad esempio, sensori ottici per marcatori di cancro o altre biomolecole. Un team di HZB che utilizza simulazioni al computer e apprendimento automatico ha ora dimostrato che la progettazione di tali nanostrutture può essere ottimizzata in modo selettivo. I risultati sono pubblicati in Fisica delle comunicazioni .

Le nanostrutture possono aumentare enormemente la sensibilità dei sensori ottici, a condizione che la geometria soddisfi determinate condizioni e corrisponda alla lunghezza d'onda della luce incidente. Questo perché il campo elettromagnetico della luce può essere notevolmente amplificato o ridotto dalla nanostruttura locale. L'HZB Young Investigator Group "Nano-SIPPE" guidato dalla prof.ssa Christiane Becker sta lavorando per sviluppare questo tipo di nanostrutture. Le simulazioni al computer sono uno strumento importante per questo. Il Dr. Carlo Barth del team Nano-SIPPE ha ora identificato i modelli più importanti di distribuzione del campo in una nanostruttura utilizzando l'apprendimento automatico, e ha spiegato i risultati sperimentali.

Le nanostrutture fotoniche esaminate nella carta sono costituite da uno strato di silicio con un modello di fori regolare rivestito con punti quantici in solfuro di piombo. Eccitato con un laser, i punti quantici vicini alle amplificazioni del campo locale emettono molta più luce che su una superficie non ordinata. Questo dimostra empiricamente come la luce laser interagisce con la nanostruttura.

Per registrare cosa succede quando cambiano i singoli parametri della nanostruttura, Barth calcola la distribuzione tridimensionale del campo elettrico per ogni set di parametri utilizzando un software sviluppato presso lo Zuse Institute di Berlino. Barth ha analizzato queste enormi quantità di dati con altri programmi per computer basati sull'apprendimento automatico. "Il computer ha cercato tra i circa 45, 000 record di dati e li ha raggruppati in circa 10 modelli diversi, " spiega. Infine, Barth e Becker hanno identificato tre modelli di base in cui i campi sono amplificati in aree specifiche dei nanofori.

Ciò consente l'ottimizzazione delle membrane a cristalli fotonici sulla base dell'amplificazione dell'eccitazione per praticamente qualsiasi applicazione. Alcune biomolecole si accumulano preferenzialmente lungo i bordi del foro, Per esempio, mentre altri preferiscono gli altipiani tra le buche, a seconda dell'applicazione. Con la giusta geometria e la giusta eccitazione da parte della luce, la massima amplificazione del campo elettrico può essere generata esattamente nei siti di attacco delle molecole desiderate. Ciò aumenterebbe la sensibilità dei sensori ottici per i marcatori del cancro al livello delle singole molecole, Per esempio.