Self-driving lab discovers principles for steering spontaneous emission

要約

私たちは、再構成可能な半導体メタ表面からの自然放出を制御する新しい方法をターゲットとして、超高速ナノフォトニクスにおける解釈可能な科学的発見を加速するための自律実験プラットフォームを開発しました。
自然放出の制御は、照明、熱放射工学、リモート センシングにおけるクリーン エネルギー ソリューションにとって重要です。
時空間制御用の埋め込みソースを備えた再構成可能な半導体メタサーフェスの可能性にもかかわらず、任意のファーフィールド制御を実現することは依然として困難です。
ここでは、発光メタサーフェスからの遠方界放射プロファイルを予測するための支配方程式を発見することで、この課題に対処する自動運転ラボ (SDL) プラットフォームを紹介します。
私たちは、局所屈折率の空間勾配 (格子状) と曲率 (レンズ状) の両方が自然放出を制御する重要な要素であることを発見しました。
SDL は、(1) 複雑な空間屈折率プロファイルを生成するための変分オートエンコーダー、(2) リアルタイムの閉ループ フィードバックで実験をガイドするための能動学習エージェント、および (3) ニューラル ネットワークで構成される機械学習フレームワークを採用しています。
構造と特性の関係を明らかにするための、ベースの方程式学習器。
SDL は、約 300 回の実験内で 72{\deg} の視野にわたってピーク発光指向性が 4 倍向上 (最大 77%) することを実証しました。
私たちの発見は、正の格子とレンズの組み合わせがすべての放射角度に対して負のレンズと格子と同じくらい効果的であることを明らかにし、従来のフーリエ光学を超えて自然放出を制御するための新しい戦略を提供します。

要約(オリジナル)

We developed an autonomous experimentation platform to accelerate interpretable scientific discovery in ultrafast nanophotonics, targeting a novel method to steer spontaneous emission from reconfigurable semiconductor metasurfaces. Controlling spontaneous emission is crucial for clean-energy solutions in illumination, thermal radiation engineering, and remote sensing. Despite the potential of reconfigurable semiconductor metasurfaces with embedded sources for spatiotemporal control, achieving arbitrary far-field control remains challenging. Here, we present a self-driving lab (SDL) platform that addresses this challenge by discovering the governing equations for predicting the far-field emission profile from light-emitting metasurfaces. We discover that both the spatial gradient (grating-like) and the curvature (lens-like) of the local refractive index are key factors in steering spontaneous emission. The SDL employs a machine-learning framework comprising: (1) a variational autoencoder for generating complex spatial refractive index profiles, (2) an active learning agent for guiding experiments with real-time closed-loop feedback, and (3) a neural network-based equation learner to uncover structure-property relationships. The SDL demonstrated a four-fold enhancement in peak emission directivity (up to 77%) over a 72{\deg} field of view within ~300 experiments. Our findings reveal that combinations of positive gratings and lenses are as effective as negative lenses and gratings for all emission angles, offering a novel strategy for controlling spontaneous emission beyond conventional Fourier optics.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google