NIMS, Токийский университет, Университет Ниигата и RIKEN совместно разработали многослойный метаматериал, который реализует сверхузкополосное селективное по длине волны тепловое излучение путем объединения машинного обучения (байесовская оптимизация) и расчетов свойств теплового излучения (электромагнитный расчет). Затем объединенная команда экспериментально изготовила спроектированный метаматериал и проверила его характеристики.
Эти результаты могут способствовать разработке высокоэффективных энергетических устройств.
Тепловое излучение, явление, при котором объект излучает тепло в виде электромагнитных волн, потенциально применимо к различным энергетическим устройствам, таким как селективные по длине волны нагреватели, инфракрасные датчики и термофотовольтаические генераторы. Высокоэффективные тепловые излучатели должны иметь спектр излучения с узкими полосами в практически используемом диапазоне длин волн.. Разработка таких эффективных тепловых излучателей была целью многих исследований с использованием метаматериалов, которые могут управлять электромагнитными волнами.
Однако большинство из них использовали подход к характеристике структур материала, выбранных эмпирически. , было сложно определить оптимальную структуру из огромного количества кандидатов.
Совместная исследовательская группа разработала метод проектирования структур из метаматериалов с оптимальными характеристиками теплового излучения с использованием комбинации машинного обучения и расчета термоэмиссионных свойств.
Этот проект был сосредоточен на простых в изготовлении многослойных структурах из метаматериалов, состоящих из трех типов материалов в 18 слоях различной толщины. Применение этого метода примерно к восьми миллиардам структур-кандидатов привело к предсказанию, что наноструктура, состоящая из непериодически расположенных полупроводников и диэлектрических материалов, будет иметь превосходные характеристики теплового излучения, что противоречит общепринятым знаниям.
Затем исследовательская группа фактически изготовила структуру метаматериала и измерила его спектр теплового излучения, и, следовательно, продемонстрировала чрезвычайно узкую полосу теплового излучения. При измерении Q-фактора (параметр, используемый для измерения ширины спектральных полос теплового излучения), недавно разработанная наноструктура дала добротность, близкую к 200, тогда как 100 считалось верхним пределом для обычных материалов?исключительно узкая спектральная полоса теплового излучения.
Это исследование продемонстрировало эффективность машинного обучения в разработке высокоэффективных термоэмиссионных метаматериалов. Ожидается, что разработка метаматериалов с желаемыми спектрами теплового излучения будет способствовать более эффективному использованию энергии в обществе.
Поскольку разработанный метод проектирования наноструктур применим ко всем видам материалов, он может служить эффективным инструментом для проектирования высокоэффективных материалов в будущем.