Où l'apprentissage en profondeur rencontre les métamatériaux

Les percées dans le domaine de la nanophotonique – le comportement de la lumière à l'échelle nanométrique – ont ouvert la voie à l'invention des "métamatériaux", matériaux synthétiques aux applications énormes, allant de la détection à distance à l'échelle nanométrique à la récupération d'énergie et au diagnostic médical. Mais leur impact sur la vie quotidienne a été entravé par un processus de fabrication complexe avec de grandes marges d'erreur.

Une nouvelle étude interdisciplinaire de l’Université de Tel Aviv publiée dans Light: Science and Applications illustre une manière de rationaliser le processus de conception et de caractérisation d’éléments nanophotoniques et métamatériaux de base. L'étude a été dirigée par le Dr Haim Suchowski de l'école de physique et d'astronomie de TAU et par le professeur Lior Wolf de l'école d'informatique Blavatnik de TAU et par le chercheur Michael Mrejen et les étudiants diplômés de TAU, Itzik Malkiel, Achiya Nagler et Uri Arieli.

"Le processus de conception des métamatériaux consiste à sculpter des éléments nanométriques avec une réponse électromagnétique précise", explique le Dr Mrejen. "Mais en raison de la complexité de la physique, les processus de conception, de fabrication et de caractérisation de ces éléments nécessitent un nombre considérable d'essais et d'erreurs, ce qui limite considérablement leurs applications."

Deep Learning, une clé pour la fabrication de précision

"Notre nouvelle approche repose presque entièrement sur Deep Learning, un réseau informatique inspiré de l'architecture hiérarchisée et stratifiée du cerveau humain", explique le professeur Wolf. «Il s’agit de l’une des formes les plus avancées d’apprentissage automatique, responsable des avancées technologiques majeures, notamment la reconnaissance vocale, la traduction et le traitement des images. Nous pensions que ce serait la bonne approche pour concevoir des éléments nanophotoniques et métamatériaux.»

Les scientifiques ont alimenté un réseau Deep Learning avec 15 000 expériences artificielles pour lui apprendre la relation complexe entre les formes des nanoéléments et leurs réponses électromagnétiques. «Nous avons démontré qu'un réseau Deep Learning« formé »peut prédire, en une fraction de seconde, la géométrie d'une nanostructure fabriquée», déclare le Dr Suchowski.

Les chercheurs ont également démontré que leur approche produisait avec succès la nouvelle conception de nanoéléments pouvant interagir avec des produits chimiques et des protéines spécifiques.

Résultats largement applicables

"Ces résultats sont largement applicables à de nombreux domaines, y compris la spectroscopie et la thérapie ciblée, c'est-à-dire la conception efficace et rapide de nanoparticules capables de cibler des protéines malveillantes", a déclaré le Dr Suchowski. "Pour la première fois, un nouveau réseau de neurones profonds, formé grâce à des milliers d'expériences de synthèse, était non seulement en mesure de déterminer les dimensions d'objets de taille réduite, mais également en permettant la conception et la caractérisation rapides d'éléments optiques à base de métasurface pour des produits chimiques ciblés et des biomolécules.

"Notre solution fonctionne également dans l'autre sens. Une fois qu'une forme est fabriquée, il faut généralement du matériel coûteux et du temps pour déterminer la forme exacte qui a été fabriquée. Notre solution informatisée le fait en une fraction de seconde grâce à une simple transmission la mesure."

Les chercheurs, qui ont également rédigé un brevet sur leur nouvelle méthode, développent actuellement leurs algorithmes Deep Learning pour inclure la caractérisation chimique des nanoparticules.

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Les Amis américains de l’Université de Tel-Aviv soutiennent l’Université de Tel-Aviv (TAU), le centre d’enseignement supérieur le plus influent, le plus complet et le plus recherché d’Israël. TAU est reconnue et célébrée à l'échelle internationale pour avoir créé sur le campus une culture entrepreneuriale innovante qui génère des inventions, des startups et le développement économique en Israël. TAU se clbade au neuvième rang mondial et au premier rang en Israël pour la création de fondateurs d'entreprises de milliards de dollars, un succès qui a dépbadé celui de plusieurs universités de la Ivy League. À ce jour, 2 500 brevets américains ont été déposés par des chercheurs de l’Université de Tel-Aviv, clbadant TAU ​​au premier rang en Israël, au dixième rang en dehors des États-Unis et au quarante-troisième rang dans le monde.

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