ارائه روش محاسباتی جدید برای مدلسازی برهم‌کنش نور با نانوساختارها

محققان دانشگاه خلیج فارس فرمول‌بندی جدیدی ارائه کرده‌اند که با استفاده از آن می‌توان شبیه‌سازی برهمکنش نور با نانوساختارها را با دقت بسیار بالا بر روی رایانه‌های معمولی اجرا کرد. این فرمول‌بندی که مربوط به تعریف خواص اپتیکی سلولهایی است که در مرز اجسام به طور جزیی اشغال شده‌اند، امکان شبیه‌سازی با سلول‌های درشت‌تر را فراهم می‌نماید.

محققین دانشگاه خلیج فارس فرمول‌بندی جدیدی ارائه کرده‌اند که با استفاده از آن می‌توان
شبیه‌سازی برهم‌کنش نور با نانوساختارها را با دقت بسیار بالا بر روی رایانه‌های
معمولی اجرا کرد. این فرمول‌بندی که مربوط به تعریف خواص اپتیکی سلول‌هایی است که
در مرز اجسام به طور جزیی اشغال شده‌اند، امکان شبیه‌سازی با سلول‌های درشت‌تر را
فراهم می‌نماید.

آقای دکتر احمد محمدی، عضو هئیت علمی گروه فیزیک دانشگاه خلیج فارس، محققی است که
با بازنویسی روش FDTD (finite-difference time-domain) بر اساس معادلات انتگرالی
ماکسول و اعمال شرایط مرزی، موفق به ارائه این فرمول‌بندی جدید گردیده است. ایشان
در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری‌نانو، اظهار داشتند: ” مطالعه
برهم‌کنش نور با نانوذرات طلا، چگونگی تشکیل پلاسمون سطحی و ارتباط آن با خواص
فیزیکی نانوذره (اندازه، شکل و خواص اپتیکی نانوذره و محیط اطراف) از اهمیت ویژه‌ای
برخوردار است. تنظیم و کنترل پلاسمون سطحی در نانوذرات فلزی (مانند طلا و نقره)
کاربردهای بسیاری از قبیل انتشار نور در ابعاد نانو (زیر حد پراش)، درمان تومور،
تشخیص آلاینده‌ها، حسگرها و المانهای نانوفوتونیک مانند سوئیچ، فیلتر در ابعاد نانو
جهت ساخت مدارهای مجتمع نانوفوتونیکی و غیره را به همراه دارد. از سویی دیگر در
بسیاری از مسائل مهم نانواپتیک که نیازمند محاسباتی با دقت بالا نیاز هستند، به‌کارگیری
روش FDTD استاندارد امکان‌پذیر نیست. دلیل این امر حجم بسیار بالای فضای محاسباتی و
نیاز به حافظه و سرعت بالای پردازنده است. با به کارگیری روش ارائه شده در این کار
تحقیقاتی برای مدلسازی برهم کنش نور با نانوساختارها، می‌توان پارامترهای مناسب
نانوساختار را با توجه به کاربرد مورد نظر به طور دقیق تعیین نمود. بدین ترتیب
هزینه بسیار بالای طراحی و ساخت قطعات نانومتری را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد.
ازاینرو مؤسسات تحقیقاتی و صنعتی فعال در این زمینه می‌توانند از نتایج این پژوهش
استفاده نمایند.”

دکتر محمدی در ادامه در مورد نحوه انجام این تحقیق و به دست آوردن معادله به
هنگام‌سازی میدان‌ مغناطیسی، گفتند: “در این کار تحقیقاتی، فرمول‌بندی جدیدی با
ترکیب روش Z-Transform(جهت وارد کردن فلز به فضای FDTD ) و روش Contour Path (جهت
اعمال شرایط مرزی مناسب در مرز فلز- دی‌الکتریک) برای معادلات به هنگام‌سازی
میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در سلول‌های واقع در مرز فلز- دی‌الکتریک که به طور
جزئی اشغال شده‌اند، ارائه گردیده است. برای این کار، ابتدا با استفاده از شکل
انتگرالی قانون آمپر، رابطه میان میدان‌ مغناطیسی و بردارهای جابه‌جایی الکتریکی
واقع در درون و بیرون فلز، به دست آمده است. سپس با استفاده از شرایط مرزی، ارتباط
بین این دو بردار پیدا شده و فقط یکی از این دو (و یا متوسط آنها) در حافظه ذخیره
می‌شود. با استفاده از روابط ساخت مندی در فضای Z و شرایط مرزی، میدانهای الکتریکی
درون و بیرون فلز از بردار جابه‌جایی الکتریکی ذخیره شده، محاسبه می‌گردد. در پایان
با به کارگیری شکل انتگرال‌گیری قانون فاراده، معادله به هنگام‌سازی میدان‌
مغناطیسی به دست می‌آید.”

با استفاده از روش ارائه شده در این کار تحقیقاتی، نرم‌افزاری تهیه شده است که
‌امکان مدلسازی برهم‌کنش نور با نانوساختارهای فلزی (مانند نانوذرات) را با دقت
بسیار بالا فراهم می‌نماید.

این پژوهش با همکاری دکتر تهمینه جلالی، دکتر ماریو آجیو ازگروه نانواپتیک دانشگاه
ای.تی.اچ زوریخ (زیر نظر پروفسور وحید صندوقدار) و پروفسورکریستین هافنر از گروه
اپتیک محاسباتی دانشگاه ای.تی.اچ زوریخ، انجام شده است.

جزئیات این طرح که از حمایت‌های تشویقی ستاد بهره‌مند شده،
در مجله OPTICS EXPRESS
(جلد ۱۶، شماره ۱۰، صفحات۷۴۰۶ -۷۳۹۷) منتشر گردیده است
.