Las nanoestructuras fotónicas se pueden utilizar para muchas aplicaciones además de las células solares, por ejemplo, sensores ópticos para marcadores de cáncer u otras biomoléculas. Un equipo de HZB que utiliza simulaciones por computadora y aprendizaje automático ha demostrado que el diseño de tales nanoestructuras se puede optimizar de forma selectiva. Los resultados se publican en Física de las comunicaciones .

Las nanoestructuras pueden aumentar enormemente la sensibilidad de los sensores ópticos, siempre que la geometría cumpla con ciertas condiciones y coincida con la longitud de onda de la luz incidente. Esto se debe a que la nanoestructura local puede amplificar o reducir en gran medida el campo electromagnético de la luz. El Grupo de Jóvenes Investigadores "Nano-SIPPE" de HZB, encabezado por la profesora Christiane Becker, está trabajando para desarrollar este tipo de nanoestructuras. Las simulaciones por computadora son una herramienta importante para esto. El Dr. Carlo Barth del equipo Nano-SIPPE ahora ha identificado los patrones más importantes de distribución de campo en una nanoestructura utilizando el aprendizaje automático, y explicó los hallazgos experimentales.

Las nanoestructuras fotónicas examinadas en el documento consisten en una capa de silicio con un patrón de agujeros regular recubierto con puntos cuánticos hechos de sulfuro de plomo. Emocionado con un láser los puntos cuánticos cercanos a las amplificaciones de campo local emiten mucha más luz que en una superficie desordenada. Esto demuestra empíricamente cómo la luz láser interactúa con la nanoestructura.

Para registrar lo que sucede cuando cambian los parámetros individuales de la nanoestructura, Barth calcula la distribución del campo eléctrico tridimensional para cada conjunto de parámetros utilizando un software desarrollado en el Instituto Zuse de Berlín. Barth analizó estas enormes cantidades de datos con otros programas informáticos basados ​​en el aprendizaje automático. "La computadora buscó a través de aproximadamente 45, 000 registros de datos y los agruparon en unos 10 patrones diferentes, ", explica. Finalmente, Barth y Becker identificaron tres patrones básicos en los que los campos se amplifican en áreas específicas de los nanoagujeros.

Esto permite la optimización de membranas de cristal fotónico basadas en amplificación de excitación para prácticamente cualquier aplicación. Algunas biomoléculas se acumulan preferentemente a lo largo de los bordes del agujero, por ejemplo, mientras que otros prefieren las mesetas entre los agujeros, dependiendo de la aplicación. Con la geometría correcta y la excitación lumínica adecuada, la amplificación máxima del campo eléctrico se puede generar exactamente en los sitios de unión de las moléculas deseadas. Esto aumentaría la sensibilidad de los sensores ópticos para los marcadores de cáncer al nivel de moléculas individuales, por ejemplo.