Learning Complexity to Guide Light-Induced Self-Organized Nanopatterns

物理 耗散系统 活性物质 自组织 统计物理学 二次方程 激光器 计算机科学 人工智能 光学 数学 量子力学 生物 细胞生物学 几何学
作者
Eduardo Brandao,Anthony Nakhoul,Stefan Duffner,Rémi Emonet,Florence Garrelie,Amaury Habrard,François Jacquenet,Florent Pigeon,Marc Sebban,Jean‐Philippe Colombier
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:130 (22) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevlett.130.226201
摘要

Ultrafast laser irradiation can induce spontaneous self-organization of surfaces into dissipative structures with nanoscale reliefs. These surface patterns emerge from symmetry-breaking dynamical processes that occur in Rayleigh-Bénard-like instabilities. In this study, we demonstrate that the coexistence and competition between surface patterns of different symmetries in two dimensions can be numerically unraveled using the stochastic generalized Swift-Hohenberg model. We originally propose a deep convolutional network to identify and learn the dominant modes that stabilize for a given bifurcation and quadratic model coefficients. The model is scale-invariant and has been calibrated on microscopy measurements using a physics-guided machine learning strategy. Our approach enables the identification of experimental irradiation conditions for a desired self-organization pattern. It can be generally applied to predict structure formation in situations where the underlying physics can be approximately described by a self-organization process and data is sparse and nontime series. Our Letter paves the way for supervised local manipulation of matter using timely controlled optical fields in laser manufacturing.
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