В рамках проекта Breakthrough Starshot, целью которого является отправка микрозондов к Альфе Центавра за 20 лет, достигнут значительный прогресс в разработке световых парусов. Исследователи предложили новый метод проектирования фотонных кристаллов с использованием нейросетевой топологической оптимизации, который позволил создать масштабируемые структуры с рекордными характеристиками и снизить стоимость производства в тысячи раз.

Основная задача миссии — разогнанные мощным лазером световые паруса размером в несколько метров и толщиной в нанометры должны достичь пятой части скорости света. Однако до сих пор главным препятствием оставалось создание сверхлёгких, но высокоотражающих структур, которые можно масштабировать без потери эффективности. Учёные применили оптимизацию: алгоритмы машинного обучения искали идеальную структуру паруса, а физические расчёты проверяли её эффективность. Это позволило открыть решётку фотонного кристалла, сочетающую высокую отражательную способность и экономичность производства.

Исследование выявило, что пентагональная решётка значительно сокращает время ускорения и стоимость запуска, а также снижает затраты на изготовление на порядки. Кристалл, созданный по этой схеме, использует несколько размеров и форм наноотверстий, формирующих широкополосное отражение, критически важное для компенсации доплеровского сдвига. Последний возникает из-за изменения частоты лазерного излучения при разгоне паруса до релятивистских скоростей.

Прототип, изготовленный из нитрида кремния (SiN), имеет площадь 60 × 60 мм2 при толщине 200 нм и содержит более миллиарда наноструктур. Такой подход снизил стоимость производства на квадратный метр в 9000 раз. Выбор SiN обусловлен низким оптическим поглощением, малой массой, высокой отражательной способностью и совместимостью со  стандартом микроэлектроники  CMOS. Внутреннее напряжение материала обеспечивает прочность подвешенных мембран, предотвращая деформации.

Если бы SiN требовал уникального подхода (например, как графен), то  стоимость световых парусов взлетела бы из-за необходимости переоборудования фабрик. CMOS-совместимость превращает экзотическую наноструктуру в «серийный продукт». SiN — тот же материал, что используется в компьютерных чипах. Это позволяет печатать наноструктуры для парусов на обычных микроэлектронных фабриках, экономя миллионы долларов.  

Ключевым аспектом оптимизации стало ограничение на минимальный размер элемента (MFS), напрямую влияющее на стоимость литографии. Увеличение MFS упрощает производство, но требует баланса с аэродинамическими характеристиками. 

Первоначально оптимизация фокусировалась на сокращении дистанции ускорения, но позже сместилась к минимизации времени разгона, так как именно оно определяет стоимость запуска. Пентагональная архитектура, в отличие от многослойных альтернатив, сохранила преимущества однослойных систем — лёгкость и технологичность — при улучшенной отражательной способности.

Измерения спектра созданного фотонного кристалла подтвердили соответствие симуляциям, учитывавшим производственные погрешности. Это демонстрирует не только точность моделирования, но и масштабируемость подхода для структур метрового размера. 

Достижение рекордного соотношения сторон (60 мм к 200 нм) в нанофотонных элементах открывает новые возможности не только для межзвёздных миссий, но и для других областей — от лазерной коммуникации до высокоточной оптики. Учёные подчёркивают, что предложенная методология может стать основой для проектирования иных метаматериалов, где важен баланс между функциональностью и экономической целесообразностью. 

Прорыв в создании световых парусов приближает реализацию одной из  самых амбициозных идей современности. Следующим шагом станет интеграция разработанных фотонных кристаллов в полноразмерные паруса и тестирование их под нагрузкой, имитирующей условия межзвёздного полёта.