Algoritmo genético permite design preciso de cristais fonônicos

O advento dos computadores quânticos promete revolucionar a computação ao resolver problemas complexos exponencialmente mais rapidamente do que os computadores clássicos. No entanto, os computadores quânticos de hoje enfrentam desafios como manter a estabilidade e transportar informações quânticas.

Fônons, que são vibrações quantizadas em redes periódicas, oferecem novas maneiras de melhorar esses sistemas ao aprimorar interações de qubits e fornecer conversão de informações mais confiável. Fônons também facilitam melhor comunicação dentro de computadores quânticos, permitindo a interconexão deles em uma rede.

Materiais nanofonônicos, que são nanoestruturas artificiais com propriedades fonônicas específicas, serão essenciais para dispositivos de comunicação e redes quânticas de próxima geração. No entanto, projetar cristais fonônicos com características de vibração desejadas nas nano e microescalas continua desafiador.

Em um estudo publicado recentemente na revista ACS Nanopesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio provaram experimentalmente um novo algoritmo genético para o projeto inverso automático — que produz uma estrutura baseada nas propriedades desejadas — de nanoestruturas de cristais fonônicos que permite o controle de ondas acústicas no material.

“Avanços recentes em inteligência artificial e design inverso oferecem a possibilidade de buscar estruturas irregulares que apresentem propriedades únicas”, explica a principal autora do estudo, Michele Diego.

Algoritmos genéticos usam simulações para avaliar iterativamente soluções propostas, com as melhores passando suas características, ou “genes”, para a próxima geração. Dispositivos de amostra projetados e fabricados com esse novo método foram testados com experimentos de espalhamento de luz para estabelecer a eficácia dessa abordagem.

A equipe conseguiu medir as vibrações em um “metacristal” fonônico bidimensional, que tinha um arranjo periódico de unidades projetadas menores. Eles mostraram que o dispositivo permitia vibrações ao longo de um eixo, mas não ao longo de uma direção perpendicular, e pode, portanto, ser usado para focalização acústica ou guias de onda.

“Ao expandir a busca por estruturas otimizadas com formas complexas além da intuição humana normal, torna-se possível projetar dispositivos com controle preciso das propriedades de propagação de ondas acústicas de forma rápida e automática”, diz o autor sênior Masahiro Nomura. Espera-se que essa abordagem seja aplicada a dispositivos de ondas acústicas de superfície usados ​​em computadores quânticos, smartphones e outros dispositivos.