五边形光子晶体镜面：通过神经拓扑优化实现的可扩展光帆与增强加速

Starshot 突破性计划旨在在 20 年内发送克重为一克的芯片探针前往 Alpha Centauri，使用克级光帆通过激光辐射压加速，接近光速的五分之一速度。这一任务需要挑战纳米技术基础的光帆材料，需创新光学、材料科学和结构工程。与负载最小化的芯片不同，光帆需要达米级尺寸、纳米级厚度和数十亿纳米级孔洞以增强反射率和减轻质量。本研究采用神经拓扑优化，发现基于五边形晶格的光子晶体反射器。优化后的设计缩短了加速度时间，从而显著降低发射成本。关键的是，这些设计还实现了光帆材料制造成本降低数个数量级。我们制造了 60×60 mm²、200 nm 厚的单层反射器，包含数十亿纳米级特征，目前最高的比例纳米光子学元件。通过近 9000 倍的平方米成本降低实现。星际探索的下一代空间技术将受制于大规模制造成本。本研究展示了开发光帆材料的挑战与解决方案，凸显了规模化纳米光子技术在经济高效下一代太空探索中的潜力。