فیزیکدانان در آلمان از الگوریتم‌های تکاملی استفاده کرده‌اند تا  بهترین هندسه یک نانوآنتن را تعیین کنند. این روش طراحی بهینه را از میان 10¹³² حالت ممکن انتخاب کرده و علاوه بر آن نگاهی عمیق به وِیژگی‌های پیچیده اپتیکی نانوساختارها انداخته اند.

نانوآنتن‌ها نور را به انرژی الکتریکی یا بالعکس تبدیل می‌کنند و در طراحی قطعات الکترواپتیکی کوچک بسیار اساسی هستند. آن‌ها کاربردهای بالقوه زیادی در برهمکنش‌های نور-ماده دارند مانند: حسگر اپتیکی، میکروسکوپی، تبدیل انرژی خورشیدی و رمزنگاری کوانتومی.

اندازه ایده‌آل آنتن با طول موج تابشی آن تعیین می‌شود. برای امواج رادیویی، این اندازه از مرتبه متر و برای نور هزاران نانومتر است. تاکنون اکثر پژوهش‌ها بر طراحی مینیاتوری آنتن‌های رادیویی متمرکز بوده است. هرچند برهمکنش اجزای بسیار کوچک فلزی با نور نسبت به برهمکنش امواج رادیویی با اجزای بزرگتر بسیار متفاوت است  و بدین معنی است که کوچک کردن اندازه آنتن‌های رادیویی بهترین راه ممکن نیست.

به‌کارگیری تکامل...

تورستن فیشتنر[1] و همکارانش در دانشگاه وورزبرگ از بهینه‌سازی تکاملی استفاده کرده‌اند تا برای مقاصد خود بهترین ساختار نانوآنتن را معین کنند. الگوریتم‌های بهینه‌سازی تکاملی با الهام از انتخاب طبیعی به جای ارزیابی همه طراحی‌های ممکن به سمت طراحی ایده‌آل حرکت می‌کنند. برای مسئله فیشتنر و همکارانش کار دوم غیر ممکن بود زیرا بیش از 10¹³² طراحی ممکن آنتن وجود دارد و بررسی هر ساختار ۲۰ دقیقه طول می‌کشد.

هدف گروه یافتن هندسه‌ای بود که شدت میدان نزدیک پرتویی از نور را تا حد امکان ارتقا دهدُ بنابراین آن‌ها از «ضریب تناسبی» استفاده کردند که از آن برای قضاوت درباره هر طراحی استفاده می‌شود. آنتن‌‌ها شامل آرایه‌های ۲۱ در ۲۱ مکعب طلا بود که هر وجه آن ۱۰ نانومتر طول داشت. با شروع از الگوهای تصادفی، آن‌ها شبیه‌سازی را برای بسته‌های ۲۰تایی انجام دادند و بهترین حالت را تعیین نمودند.

همانند طبیعت، الگوهای متناسب این شانس را دارند تا مشخصه‌های خود را به نسل منتقل کنند در حالی که از گونه‌های ضعیف‌تر صرفنظر می‌شود. با استفاده از بهترین ۵ طراحی از هر بسته، نسلی جدیدی از ۲۰ ساختار ساخته می‌شود. ساختارهای جدید هم با یکدیگر مقایسه می‌شوند و تناسب کلی طراحی نسل به نسل (۱۰۰ نسل) بهبود می‌یابد تا این‌که شدت میدان نزدیک تقریبا دو برابر آنتن اولیه می‌شود.

الگوهای گیج‌کننده

فریشتنر می‌گوید: «در انتها، ما فهمیدیم که بهترین شکل الگویی تصادفی از بلوک‌های طلا است.» بخش اصلی این طراحی یادآور آنتن کلاسیکی است: دو ساختار لوله‌مانند که از یکدیگر جدا شده‌اند. وقتی پژوهشگران نگاهی دقیق به جریان آن ناحیه انداختند، کشف کردند که میله‌ها با یک بلوک طلا به هم متصل شده‌اند که درست در پایین فاصله دو میله واقع است.

فیشتنر توضیح ‌می‌دهد: «اگر صرفا به شکل هندسی نگاه کنیم‌، نباید هیچ پیوند رسانایی بین دو بلوک همسایه وجود داشته باشد. اما شبیه‌سازی اجازه می‌دهد تا جریان در امتداد یال‌ها از یک مکعب به مکعب دیگر حرکت کند؛ این برای ما شگفت‌آور بود. وقتی این یک بلوک را حذف کنیم، تناسب با ضریب ۲ کاهش می‌یابد.»

او می‌افزاید: «البته کل این ساختار بسیار پیچیده است و ما از درک اتفاقات کلی بی اطلاعیم.» به جای این که گروه به دنبال پاسخ سرسختانه باشند، به نسخه‌ای ساده‌تر پرداختند که به سادگی با فناوری امروزی قابل ساخت باشد: ترکیبی از یک آنتن دو سیمی و هندسه تشدیدگری که آن‌ها کشف کردند. گروه نشان داد که در این حالت ساده، ضریب تناسب باز هم دوبرابر می‌شود.

موضوعی داغ

قطعا این اولین مطالعه نیست که نشان می‌دهد الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه‌سازی نانوآنتن‌ها مفید هستند اما فیشتنر می‌گوید: «[مطالعات قبلی] به تغییرات شکل یک ذره یا استفاده از ذراتی با شکل معین محدود بود که اندازه‌شان محدود بود. رهیافت ما اجازه می‌دهد تا از یک یا چند ذره، هندسه‌های دلخواهی بسازیم و نحوه کار ساختارهای متصل بزرگ را ببینیم. هندسه ما در هیچ کدام از مطالعات قبلی یافت نشده است.»

سباستین بیدالت[2] این مطالعه را «راهی اصیل برای معرفی طراحی آنتن‌های اپتیکی» می‌سازد. وی نانوآنتن‌های مبتنی بر DNA را در موسسه لنجوین پاریس بررسی می‌کند و در این پژوهش شرکت می‌کند.

او اشاره می‌کند که یکی از اشکال‌های اصلی نانوآنتن‌های فلزی، اتلاف قوی ناشی از گرمایش موضعی است: «بهینه‌سازی شدت موضعی با افزودن فلز باعث افت اهمی بیشتری می‌شود و نمی‌توان بعد از این انرژی چه اتفاقی می‌افتد.»

منبع:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/sep/28/survival-of-the-fittest-nanoantenna