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納米結構的幾何形狀只要滿足特定條件，并匹配入射光的波長，就能夠大幅提高光學傳感器的靈敏度。這是因為局部納米結構可以極大地放大或減少光的電磁場。據麥姆斯咨詢報道，由Christiane Becker教授領導的HZB（德國亥姆霍茲國家研究中心聯合會）青年研究組“Nano-SIPPE”正致力于開發這類納米結構。計算機模擬是進行這類研究的一種重要工具。來自Nano-SIPPE團隊的Carlo Barth博士現在已經使用機器學習確定了納米結構中最重要的場分布模式，并因此首次很好地解釋了實驗結果。

納米結構上的量子點

該團隊研究的光子納米結構由具有規則孔狀圖案的硅層組成，其上覆有由硫化物制成的量子點涂層。激光激發后，接近局部場放大的量子點，比在無序表面上發出了更多的光。這能夠在經驗上證明激光如何與納米結構相互作用。

計算機模擬顯示了在激光激發后，電磁場如何在具有孔狀圖案的硅層中分布。如上圖所示，形成了具有局部場最大值的條紋，因而量子點能夠特別強烈地發光。

利用機器學習發現了十種不同的模式

為了系統地記錄當納米結構的各個參數發生變化時會發生什么，Barth利用在柏林Zuse研究所開發的軟件計算了每個參數集的三維電場分布。然后，Barth基于機器學習，通過其他計算機程序分析了這些海量數據。

“計算機搜索了大約45000條數據記錄，并將它們分成了大約十種不同的模式，”他解釋說。最后，Barth和Becker成功地確定了其中三種基本模式，在這三種基本模式下，光電磁場在納米孔的各個特定區域被放大了。

展望：探測單個分子，例如：癌癥標志物

這使得基于激發放大的光子晶體膜可以針對幾乎任何應用進行優化。這是因為根據不同的應用，例如，一些生物分子會優先沿著納米孔的邊緣積聚，另一些生物分子則在納米孔之間的平臺區域積聚。

利用合適的幾何形狀和準確的光激發，可以在所需分子的附著位置處，精確地產生最大電場放大。其應用廣闊，例如，這能夠使癌癥標志物光學傳感器的靈敏度提高到單個分子水平。