Photonik-Anwendungen mit maschinellem Lernen optimieren

Mit Nanostrukturen lässt sich die Empfindlichkeit von optischen Sensoren enorm steigern – sofern die Geo­metrie bestimmte Bedin­gungen erfüllt und zur Wellen­länge des ein­ge­strahlten Lichts passt. Denn das elektro­magne­tische Feld des Lichts kann durch die Nano­struktur lokal extrem ver­stärkt oder abge­schwächt werden. Am Helm­holtz-Zentrum Berlin arbeitet die Nach­wuchs­gruppe Nano-SIPPE um Christiane Becker daran, solche Nano­struk­turen gezielt zu ent­wickeln. Ein wich­tiges Werk­zeug dabei sind Computer­simu­la­tionen. Carlo Barth aus Beckers Team hat nun mit Ein­satz von maschi­nellem Lernen die wich­tig­sten Muster der Feld­ver­tei­lung in einer Nano­struktur iden­ti­fi­ziert und damit auch erst­mals sehr gut die experi­men­tellen Befunde erklärt.

Die betrachteten photonischen Nanostrukturen bestehen aus einer Silizium­schicht mit einem regel­mäßigen Loch­muster, die mit Quanten­punkten aus Blei­sulfid beschichtet ist. Ange­regt mit einem Laser leuchten die Quanten­punkte durch die lokalen Feld­erhö­hungen wesent­lich stärker als auf einer unstruk­tu­rierten Ober­fläche. Damit lässt sich experi­men­tell zeigen, wie das Laser­licht mit der Nano­struktur wechsel­wirkt.

Um nun systematisch zu erfassen, was passiert, wenn sich einzelne Para­meter der Nano­struktur ver­ändern, berech­nete Barth unter Ver­wen­dung einer am Zuse-Institut Berlin ent­wickelten Soft­ware für jeden Para­meter­satz die drei­dimen­sio­nale Feld­ver­tei­lung. Die enormen Daten­mengen ließ Barth dann von weiteren Computer­pro­grammen analy­sieren, die auf Methoden des maschi­nellen Lernens basieren. „Der Rechner hat die etwa 45.000 Daten­sätze durch­orstet und in etwa zehn unter­schied­liche Muster gruppiert“, erklärt Barth. Schließ­lich gelang es Barth und Becker unter anderem drei Grund­muster heraus­zu­kristal­li­sieren, bei denen in ver­schie­denen spezi­fischen Bereichen der Nano­löcher die Felder ver­stärkt sind.

Das erlaubt die Optimierung photonischer Kristallmembranen für prak­tisch jede Anwen­dung, die auf Anre­gungs­ver­stär­kung basiert. Denn je nach Anwen­dung lagern sich manche Bio­mole­küle zum Beispiel bevor­zugt ent­lang der Loch­ränder an, andere eher auf den Plateaus zwischen den Löchern. Mit der rich­tigen Geo­metrie und der passenden Anre­gung durch Licht ließe sich dann die maxi­male Feld­ver­stär­kung exakt an den Anla­ge­rungs­plätzen der gesuchten Mole­küle erzeugen. Damit ließe sich die Sensi­ti­vität von optischen Sensoren, beispiels­weise für Krebs­marker, bis auf das Niveau von Einzel­mole­külen erhöhen.

HZB / RK