Четверо физиков из Германии применили эволюционные алгоритмы для поиска эффективной наноантенны — аналога традиционных антенн, предназначенного для работы в оптическом диапазоне.

Проектируя устройства такого типа, инженеры обычно ориентируются на проверенные модели радиоволновых антенн. Никто, однако, не гарантирует, что простое уменьшение давно известных схем в размерах обеспечит наилучшие результаты: оптическое излучение взаимодействует с миниатюрными металлическими элементами не совсем так, как радиочастотное — с более крупными деталями.

Оптимизационные алгоритмы, позволяющие моделировать процесс эволюции с естественным отбором, передачей и закреплением черт, которые способствуют «выживанию», и мутациями, идеально подходят именно для изучения новых и неочевидных конструкций.

«Такая методика обнаружения перспективных вариантов наноантенн уже использовалась, — замечает руководитель германской группы Торстен Фейхтнер (Thorsten Feichtner) из Вюрцбургского университета. — Но предыдущие исследования ограничивались оптимизацией формы, размеров или расположения каких-то отдельных элементов устройства. Мы же рассматривали произвольные геометрические формы, составляемые из множества не зависящих друг от друга компонентов».

Этими компонентами стали **золотые блоки фиксированного размера 10×10×11 нм³, которые могли занимать ячейки квадратной матрицы размером 21×21. Времени на анализ всех ~4•10¹³² способов размещения блоков учёным, разумеется, не хватило бы, а вот выделить и рассмотреть наиболее «приспособленные» к внешней среде модификации было не так уж и сложно.

Критерием приспособленности авторы считали способность создавать высокую напряжённость ближнего поля в фокусе оптического гауссова пучка излучения на длине волны в 647 нм.

Рис. 1. Слева сверху показана оптимизированная схема наноантенны, справа — диаграмма направлений и силы токов в её центральной части, снизу — упрощённый вариант устройства. (Иллюстрация авторов работы).

Победителем эволюционного сражения стала очень необычная схема расположения золотых блоков, показанная на рисунке выше. Можно заметить, что в её центре выделяются две стержнеобразные структуры, разделённые небольшим промежутком, а прямо под этим разрывом находится блок, создающий маршрут для протекания тока между стержнями. На периферии золотые элементы размещаются, как кажется, случайным образом.

«Найденная структура, очевидно, слишком сложна, и мы не можем точно охарактеризовать все её участки», — признаёт г-н Фейхтнер. Стремясь упростить задачу, физики отдельно рассмотрели центральную область схемы, представив её в виде длинного изогнутого нанопровода.

Как выяснилось, такая наноантенна, изготовить которую будет нетрудно, по своим характеристикам мало отличается от исходного переусложнённого варианта.