Les nanostructures photoniques peuvent être utilisées pour de nombreuses applications en plus des cellules solaires, par exemple, capteurs optiques pour les marqueurs du cancer ou d'autres biomolécules. Une équipe de HZB utilisant des simulations informatiques et l'apprentissage automatique a maintenant montré que la conception de telles nanostructures peut être optimisée de manière sélective. Les résultats sont publiés dans Physique des communications .

Les nanostructures peuvent augmenter considérablement la sensibilité des capteurs optiques, à condition que la géométrie remplisse certaines conditions et corresponde à la longueur d'onde de la lumière incidente. En effet, le champ électromagnétique de la lumière peut être considérablement amplifié ou réduit par la nanostructure locale. Le HZB Young Investigator Group "Nano-SIPPE" dirigé par le Pr Christiane Becker travaille au développement de ce type de nanostructures. Les simulations informatiques sont un outil important pour cela. Le Dr Carlo Barth de l'équipe Nano-SIPPE a maintenant identifié les modèles de distribution de champ les plus importants dans une nanostructure en utilisant l'apprentissage automatique, et expliqué les résultats expérimentaux.

Les nanostructures photoniques examinées dans cet article consistent en une couche de silicium avec un motif de trous régulier recouvert de points quantiques en sulfure de plomb. Excité avec un laser, les points quantiques proches des amplifications de champ local émettent beaucoup plus de lumière que sur une surface non ordonnée. Cela démontre empiriquement comment la lumière laser interagit avec la nanostructure.

Afin d'enregistrer ce qui se passe lorsque les paramètres individuels de la nanostructure changent, Barth calcule la distribution tridimensionnelle du champ électrique pour chaque ensemble de paramètres à l'aide d'un logiciel développé au Zuse Institute Berlin. Barth a analysé ces énormes quantités de données avec d'autres programmes informatiques basés sur l'apprentissage automatique. "L'ordinateur a fouillé dans les quelque 45, 000 enregistrements de données et les a regroupés en une dizaine de modèles différents, " explique-t-il. Enfin, Barth et Becker ont identifié trois modèles de base dans lesquels les champs sont amplifiés dans des zones spécifiques des nanotrous.

Cela permet l'optimisation des membranes à cristaux photoniques basées sur l'amplification d'excitation pour pratiquement toutes les applications. Certaines biomolécules s'accumulent préférentiellement le long des bords des trous, par exemple, tandis que d'autres préfèrent les plateaux entre les trous, selon l'application. Avec la bonne géométrie et la bonne excitation par la lumière, l'amplification maximale du champ électrique peut être générée exactement au niveau des sites de fixation des molécules souhaitées. Cela augmenterait la sensibilité des capteurs optiques pour les marqueurs du cancer au niveau des molécules individuelles, par exemple.