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Controlled Synthesis of Space–Time Modulated Metamaterial for Enhanced Nonreciprocity by Machine Learning

超材料 计算机科学 非线性系统 人工神经网络 谐波 拓扑(电路) 电子工程 算法 计算机工程 人工智能 物理 光学 电气工程 工程类 量子力学 电压
作者
Ngoc Hung Phi,Huu Nguyen Bui,Seong‐Yeon Moon,Jong‐Wook Lee
出处
期刊:Advanced intelligent systems [Wiley]
卷期号:6 (4) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/aisy.202300565
摘要

Nonreciprocity plays a fundamental role in governing direction‐dependent asymmetric wave propagation. Previous approaches to nonreciprocity involve ferrite‐based devices with bulky systems. Herein, the controlled synthesis of a space–time modulation (STM) metamaterial for enhanced nonreciprocity using machine learning (ML) is investigated. The design of STM metamaterial poses great challenges due to the nonlinear nature of time‐periodic Floquet harmonics, which are inefficiently handled in traditional methods such as numerical optimization. To deal with the challenge, an ML approach is proposed that learns from the accumulated training data using the guided objective function and generates high‐quality designs by leveraging the learned features. This approach first trains a residual neural network (ResNet) to learn the nonlinear relationships between the STM parameters and nonreciprocal responses. The trained ResNet achieves a high testing accuracy, with 96.7% of the 9000 instances having a mean square error less than 0.6 × 10 −4 . For the synthesis of STM metamaterial, a customized Wasserstein generative adversarial network (WGAN) is proposed, which leverages the discovered nonlinearity and synthesizes large‐scale datasets using small computational costs. The histogram obtained using 90 000 data samples shows that WGAN generates designs with an average normalized nonreciprocity of 0.83, four times higher than the measured data.

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