Pentagonal Photonic Crystal Mirrors: Scalable Lightsails with Enhanced Acceleration via Neural Topology Optimization

要約

スターショット・ブレークスルー・イニシアチブは、光速の5分の1に近い速度に達するレーザーベースの放射圧によって推進されるグラムスケールのライトセイルを使用して、20年以内に1グラムのマイクロチップ探査機をアルファ・ケンタウリに送ることを目指している。
このミッションには、ナノテクノロジーの基礎に挑戦するライトセイル材料が必要であり、光学、材料科学、構造工学の革新が必要です。
あらゆる寸法で最小化する必要があるマイクロチップのペイロードとは異なり、このようなライトセイルは、反射率を高めて質量を減らすために、ナノスケールの厚さと数十億のナノスケールの穴を備えたメートルスケールの寸法を必要とします。
私たちの研究ではニューラルトポロジー最適化を採用し、新しい五角形格子ベースのフォトニック結晶（PhC）反射鏡を明らかにしました。
最適化された設計により加速時間が短縮され、打ち上げコストが大幅に削減されます。
重要なことに、これらの設計により、コストを大幅に削減してライトセイル材料の製造も可能になります。
我々は、10億を超えるナノスケールの特徴が穿孔された、60 x 60 mm$^2$、厚さ200nmの単層反射板を作製した。
これまでで最も高いアスペクト比のナノフォトニクス素子。
これは、m$^2$ あたりほぼ 9,000 倍のコスト削減で達成されます。
スターショット ライトセイルにはいくつかの厳しい要件がありますが、最終的には大規模に構築するためのコストによって決まります。
ここでは、ライトセイル材料の開発における課題と考えられる解決策に焦点を当て、コスト効率の高い次世代宇宙探査のためのナノフォトニクスのスケーリングの可能性を示します。

要約(オリジナル)

The Starshot Breakthrough Initiative aims to send one-gram microchip probes to Alpha Centauri within 20 years, using gram-scale lightsails propelled by laser-based radiation pressure, reaching velocities nearing a fifth of light speed. This mission requires lightsail materials that challenge the fundamentals of nanotechnology, requiring innovations in optics, material science and structural engineering. Unlike the microchip payload, which must be minimized in every dimension, such lightsails need meter-scale dimensions with nanoscale thickness and billions of nanoscale holes to enhance reflectivity and reduce mass. Our study employs neural topology optimization, revealing a novel pentagonal lattice-based photonic crystal (PhC) reflector. The optimized designs shorten acceleration times, therefore lowering launch costs significantly. Crucially, these designs also enable lightsail material fabrication with orders-of-magnitude reduction in costs. We have fabricated a 60 x 60 mm$^2$, 200nm thick, single-layer reflector perforated with over a billion nanoscale features; the highest aspect-ratio nanophotonic element to date. We achieve this with nearly 9,000 times cost reduction per m$^2$. Starshot lightsails will have several stringent requirements but will ultimately be driven by costs to build at scale. Here we highlight challenges and possible solutions in developing lightsail materials – showcasing the potential of scaling nanophotonics for cost-effective next-generation space exploration.

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