Genetischer Algorithmus ermöglicht präzises Design phononischer Kristalle

Das Aufkommen von Quantencomputern verspricht, die Datenverarbeitung zu revolutionieren, indem sie komplexe Probleme exponentiell schneller lösen als klassische Computer. Heutige Quantencomputer stehen jedoch vor Herausforderungen wie der Aufrechterhaltung der Stabilität und dem Transport von Quanteninformationen.

Phononen, bei denen es sich um quantisierte Schwingungen in periodischen Gittern handelt, bieten neue Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Systeme, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Qubits verbessern und eine zuverlässigere Informationsumwandlung ermöglichen. Phononen ermöglichen auch eine bessere Kommunikation innerhalb von Quantencomputern und ermöglichen deren Vernetzung in einem Netzwerk.

Nanophononische Materialien, bei denen es sich um künstliche Nanostrukturen mit spezifischen phononischen Eigenschaften handelt, werden für Quantenkommunikations- und Netzwerkgeräte der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sein. Allerdings bleibt die Entwicklung phononischer Kristalle mit den gewünschten Schwingungseigenschaften im Nano- und Mikromaßstab eine Herausforderung.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie ACS NanoForscher am Institut für Industriewissenschaften der Universität Tokio haben experimentell einen neuen genetischen Algorithmus für das automatische inverse Design von phononischen Kristallnanostrukturen getestet, der eine Struktur auf der Grundlage gewünschter Eigenschaften erzeugt und die Kontrolle akustischer Wellen im Material ermöglicht.

„Die jüngsten Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und im inversen Design bieten die Möglichkeit, nach unregelmäßigen Strukturen zu suchen, die einzigartige Eigenschaften aufweisen“, sagt Michele Diego, Hauptautorin der Studie.

Genetische Algorithmen verwenden Simulationen, um vorgeschlagene Lösungen iterativ zu bewerten, wobei die besten ihre Eigenschaften oder „Gene“ an die nächste Generation weitergeben. Mit dieser neuen Methode entworfene und hergestellte Mustergeräte wurden mit Lichtstreuexperimenten getestet, um die Wirksamkeit dieses Ansatzes festzustellen.

Das Team konnte Schwingungen an einem zweidimensionalen phononischen „Metakristall“ messen, der eine periodische Anordnung kleinerer Einheiten aufwies. Sie zeigten, dass das Gerät Vibrationen entlang einer Achse, jedoch nicht entlang einer senkrechten Richtung zuließ und daher für akustische Fokussierung oder Wellenleiter verwendet werden konnte.

„Durch die Ausweitung der Suche nach optimierten Strukturen mit komplexen Formen über die normale menschliche Intuition hinaus wird es möglich, Geräte mit präziser Steuerung der Ausbreitungseigenschaften von Schallwellen schnell und automatisch zu entwerfen“, erklärt der Autor. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz auf Oberflächenwellengeräte angewendet wird, die in Quantencomputern, Smartphones und anderen Geräten verwendet werden.