Sandia National Laboratories heeft de eerste inverse-ontwerpsoftware voor optische metamaterialen gemaakt, wat betekent dat gebruikers beginnen met het beschrijven van het gewenste resultaat, en de software vult de stappen in om daar te komen. De moderne ontwerpbenadering haalt giswerk uit de technische tot nu toe theoretische technologieën zoals ultracompacte, high-performance camera's en verhullende bepantsering die dragers onzichtbaar zouden kunnen maken voor detectie.

Sandia gebruikt de ontwerphulp, genaamd Mirage, in zijn onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma's en heeft vorig jaar een testversie uitgebracht voor geselecteerde medewerkers. Nutsvoorzieningen, onderzoekers die aan metamateriaalprojecten van de overheid werken, kunnen kosteloos een licentie aanvragen.

Door de mens gemaakt, optische metamaterialen worden al meer dan tien jaar geprezen vanwege hun vermogen om licht op buitengewone manieren te manipuleren. In theorie, satellietbeelden en interstellaire telescopen zouden aanzienlijk kleiner kunnen zijn met lenzen van metamateriaal die honderd keer dunner zijn dan conventionele. Of, de technologie zou op een dag kunnen leiden tot verhullende materialen die het licht om hen heen afbuigen, waardoor objecten onmogelijk te zien zijn.

Mirage vereenvoudigt en automatiseert het ontwerpproces voor materialen die nodig zijn voor die technologieën.

Mirage haalt giswerk uit het ontwerp

Het veld van optische metamaterialen heeft tot nu toe geworsteld om al zijn vermeende belofte van een revolutie in de optica waar te maken. Een moeilijkheid voor ingenieurs was dat metamaterialen zijn gemaakt van kleine bouwstenen, meta-atomen genoemd, die in talloze variaties kan worden ontworpen. Een bepaalde vorm, collectief, licht kan buigen. Verander die vorm, de grootte, de afstand of het materiaal en dat zou het effect kunnen versterken of verminderen of iets heel anders kunnen veroorzaken, zoals het licht in een of andere richting draaien of de intensiteit of kleur veranderen.

"Voorspellen wat de bulk 'gehomogeniseerde' eigenschappen zullen zijn, was tot nu toe erg moeilijk te bepalen, " zei Mike Fiddy, een programmamanager in het Defense Advanced Research Projects Agency, of DARPA, die de ontwikkeling van de software financierde.

Andere software kan simuleren wat metaatomen doen met licht, maar dat stelt onderzoekers alleen in staat om intuïtie te gebruiken om met verschillende ontwerpen te experimenteren totdat ze het gewenste gedrag tegenkomen of moeizaam uitwerken.

Ondanks de uitdaging, sommige onderzoekers hebben succes gehad met het maken van fantasierijke apparaten met metamateriaal. Sandia vond een apparaat uit dat warmte omzet in elektriciteit, mogelijk voor zuinigere motoren, en een lichtmengtechnologie die zou kunnen leiden tot een nieuwe, veranderlijk, veelkleurige lichtbron, die allerlei soorten onderzoek, van archeologie tot biogeneeskunde, zou kunnen versnellen.

Maar over het geheel genomen zei Sandia-wetenschapper Ihab El-Kady, de metamateriaalonderneming heeft een boost nodig gehad.

"We kunnen dit probleem onmogelijk met vallen en opstaan ​​oplossen, " zei El Kady, die Mirage heeft verwekt. "In plaats daarvan, we zouden het tegenovergestelde kunnen doen. We zouden kunnen zeggen:'Dit is het gedrag dat ik wil. Vertel me nu hoe het metamateriaal eruit ziet.'"

Geen enkele tool heeft deze omgekeerde ontwerpbenadering gebruikt. Dus, El-Kady en zijn team van Sandia's National Security Photonics Center hebben er een gebouwd.

Gebruiksvriendelijke instructies om meer dan 100 sjablonen te gebruiken

Met Mirage kunnen gebruikers beginnen met het vertellen van de optische eigenschap die ze willen - hoe hun metamateriaal moet interageren met licht - en hun uitgangsmaterialen. Mirage genereert ontwerpen die aan die criteria voldoen uit een bibliotheek van meer dan 100 sjablonen. Of, gebruikers kunnen hun eigen ontwerpen tekenen, en het programma zal ze controleren op fouten.

"Een meer systematische aanpak voor het ontwerpen van metamaterialen zou de acceptatie ervan in verschillende toepassingsgebieden aanzienlijk moeten versnellen, " het elimineren van meer algemeen gebruikte, op intuïtie gebaseerde benaderingen, zei Fiddy.

DARPA toonde Mirage als een vooraanstaande technologie op het 60-jarig jubileumsymposium van het bureau in Fort Washington, Maryland, waarin het verreikende gebruik ervan wordt getoond.

"Mirage is een alles-in-één tool, "Zei El-Kady. "Het vertelt je niet alleen hoe het metamateriaal eruitziet, het stelt u in staat om verschillende configuraties te verkennen, het systeem simuleren, het gekozen gedrag valideren, visualiseer de respons en optimaliseer de functionaliteit binnen uw fabricagebeperkingen."

Software verfijnt krachtige ideeën

Daarbovenop, zei Sandia senior wetenschapper Igal Brener, die de software gebruikt bij zijn metamateriaalonderzoek, Mirage is handig omdat het algoritmen bevat die onderzoekers helpen de beste prestaties uit hun uitvindingen te halen.

Het team van Brener heeft eerder een materiaal gemaakt dat twee lasers kan mengen om 11 kleuren tegelijk te produceren. inclusief infrarood en ultraviolet licht. Mogelijk, deze technologie zou kunnen worden ontwikkeld tot afstembare lasers die eenkleurige lasers vervangen.

Maar sommige van die kleuren zijn te zwak om bruikbaar te zijn, dus hij onderzoekt manieren om de output op te fleuren. Andere softwarepakketten die Brener heeft gebruikt, omvatten eenvoudige optimalisatie-algoritmen. Echter, om meer geavanceerde algoritmen te gebruiken, moet hij die pakketten aanvullen met zijn eigen codering. Niet zo met Mirage.

"Optimalisatietechnieken zijn er in veel verschillende smaken, "zei hij. "Mirage is het enige softwarepakket dat ik ken met de complexe optimalisatietechnieken die ik nodig heb."

Als de eerste lancering succesvol is, Sandia is van plan een tweede versie van Mirage te ontwikkelen, voorlopig Mirage Elite genoemd, dat zou een vooruitgang in optimalisatie introduceren door meta-atomen automatisch te veranderen in bizarre en bizarre vormen in de jacht op onontdekt gedrag.