ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Цель проекта состоит в построении универсальных математических моделей и компьютерного обеспечения, позволяющих проводить анализ наноразмерных плазмонных структур и решать задачи синтеза устройств с "оптимальными" характеристиками, учитывая квантовый эффект нелокального экранирования. Кроме того, будет проведено математическое обоснование корректности граничных задач для квазиклассической системы уравнений Максвелла с граничными условиями, обеспечивающими существование и единственность их решения.
Nanoplasmonic schemes make it possible to obtain ultrahigh field enhancement and its concentration in volumes by orders of magnitude higher than the resolution of optical equipment. The practical use of such effects creates many new opportunities for expanding the boundaries of fundamental science and applied quantum technologies. The development of technologies for the synthesis of nanoplasmonics systems leads to the miniaturization of devices. In the case when the dimensions of the constituent elements become less than 10 nm, a complete quantum-mechanical description is required to analyze the behavior of the fields. However, existing theories are effective for elements as small as a few nanometers. This limitation was overcome in the framework of the developed theory of generalized nonlocal optical response (GNOR), on the basis of which a semiclassical system of Maxwell equations was formulated, including longitudinal fields. At present, GNOR is the most demanded for the description of quantum effects in nanoplasmonics. As shown by our pioneering studies, taking into account GNOR can significantly distort not only quantitative characteristics, but also the qualitative behavior of the fields: shift the plasmon resonance in the spectral region to 15 nm, reduce its amplitude 2.5 times, and decrease the near-field intensity by an order of magnitude. Ignoring these factors can lead to malfunction of existing nanoplasmonics devices. The main idea of the project is to build new universal mathematical models and corresponding computer software, which allow the analysis and synthesis of nanoscale plasmon structures taking into account the quantum effect of nonlocal screening. They will take into account all the features of the physical problems under consideration for various purposes, including nanoscale photonic schemes, photothermal amplifiers, nanobiosensors, ideal masking elements, plasmon nanolaser resonators. The significance of the achievements of quantum nanoplasmonics can hardly be overestimated; they not only make it possible to reduce the size of devices at times, but also reduce power consumption by an order of magnitude. In addition, the predicted effect from the implementation of the plasmon nanolaser is expected to be the same as from the implementation of the optical laser.
В результате выполнения проекта будут разработаны математические модели, позволяющие проводить анализ и синтез плазмонных структур с учетом квантового эффекта нелокального экранирования. Предложенные модели будут реализованы в виде универсальных компьютерных модулей для исследования проблем квантовой нанооптики. Одной из фундаментальных проблем современной науки является разработка и реализация плазмонных нанолазеров [1]. Для исследования этого вопроса будет предложена математическая модель плазмонного нанолазера с учетом эффекта нелокальности (ЭН). Значимость этой работы в том, что ЭН существенно искажает оптические характеристики как дальнего, так и ближнего полей [2], в результате чего многие устройства могут потерять свои функциональные свойства. Математическая модель плазмонного нанолазера на основе гибридных частиц будет разработана в строгом соответствии с условиями генерации индуцированного излучения. Будет проведена оптимизация параметров рассматриваемой математической модели. Мы полагаем, что удастся добиться усиления интенсивностей полей на несколько порядков по сравнению со стандартными схемами реализации плазмонного нанолазера, описанными в работе[1]. Будет предложена новая математическая модель и компьютерный комплекс для анализа процессов и явлений, лежащих в основе электронной микроскопии ближнего поля, индуцированного фотонами [3] с учетом эффекта нелокальности. Особое внимание будет уделено влиянию эффекта нелокальности на поведение неизлучающих компонент полей конкретных наноразмерных плазмонных структур. Данный результат представляется принципиально новым и вносящим существенный вклад в развитие теоретических основ средств диагностики и синтеза плазмонных устройств. Универсальные компьютерные модули, реализующие соответствующие вычислительные технологии, позволят проводить моделирование широкого круга проблем, включая наноразмерные фотонные схемы, фототермические усилители, нанобиосенсенсоры, идеальные маскирующие элементы, резонаторы плазмонного нанолазера и пр. При этом их можно будет использовать как на портативных компьютерах, так и суперкомпьютерах. Данное обстоятельство создаст широкие возможности их распространения и использования, как в научных исследованиях, так и образовательных целях. Для иллюстрации значимости приведем простой пример. Большинство идеальных поглотителей работают на строго фиксированной длине волны [4-5]. Множество из этих синтезированных схем требует учета ЭН, так как используются наноразмерные элементы. Учет же ЭН сдвигает положение плазмонного резонанса в области длин волн на 5-15нм [2], превращая, как следствие, все эти синтезированные устройства в неработающие! Важность достижений квантовой наноплазмоники трудно переоценить, они не только позволяют в разы уменьшить размеры устройств, но и на порядок сократить потребление электроэнергии. Прогнозируемый эффект от реализации, например, плазмонного нанолазера ожидается таким же, как и от реализации оптического лазера. Все это позволяет признать предлагаемые исследования весьма значимыми и не только в научном плане. Литература. 1. Балыкин В.И. Плазмонныйнанолазер: современное состояние и перспективы//Успехи физ. наук. 2018. Т.188. №. 9. С. 935-963. 2. Еремин Ю. А., Свешников А. Г. Метод Дискретных источников для исследования влияния нелокальности на характеристики резонаторов плазмонногонанолазера//Журн. Вычислит. матем. матем. физ. 2019. Т.59. №10. C.140-149. 3. Barwick B., Flannigan D.J., Zewail A.H. Photon-induced near-field electron microscopy //Nature. 2009. V.462. P.902-906. 4. Chehaidar A., Hadded M. Scattering and absorption of light by homogeneous BiFeO3 and hybrid BiFeO3/Au core/shell spherical nanoparticles: A computational study//Optical Materials.2019. V.95. 109207. 5. Evlyukin A., Nerkararyan K.V., BozhevolnyiS.I. Core-shell particles as efficient broadband absorbers in infrared optical range//Opt. Express. 2019. V.27. N13. 17474.
Разработка и компьютерная реализация математической модели плазмонного нанолазера с учетом эффекта нелокального экранирования. Будет выполнено исследование разрешимости и единственности решений квазиклассической системы дифференциальных уравнений Максвелла с учетом эффекта нелокального экранирования в плазмонной составляющей резонаторов. Для конкурентов плазмонным металлам Au, Ag , а именно полупроводниковых материалов таких, как TiN, ZrN, обладающих высокой концентрацией носителей, будут разработаны дополнительные граничные условия, обеспечивающие единственность решения граничной задачи для квазиклассической системы уравнений Максвелла. Математическая модель будет разработана в строгом соответствии с условиями генерации индуцированного излучения, включая расположение резонаторов, представляющих собой гибридные частицы, располагающиеся в активной среде на поверхности прозрачной призмы. При этом учёт взаимодействия резонаторов с бесконечной поверхностью призмы будет осуществляться аналитически. С целью добиться существенного усиления интенсивности поля на внешней поверхности резонатора, будет проведена оптимизация параметров рассматриваемой математической модели. При этом в качестве параметров будут рассматриваться диэлектрическая проницаемость ядра и оболочки гибридных частиц, толщина слоя, а также направления распространения внешнего возбуждения, включая возбуждение неизлучающими волнами. Особое внимание будет уделено влиянию квантового эффекта нелокальности на синтезированные "оптимальные" структуры. Мы полагаем, что удастся добиться усиления интенсивностей полей на несколько порядков по сравнению со стандартными схемами реализации плазмонного нанолазера. Результаты исследований планируется опубликовать в журналах, индексируемых в ведущих международных системах: Web of Science, Scopus.
МГУ имени М.В.Ломоносова | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Математические модели квантовой наноплазмоники |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Математические модели квантовой наноплазмоники |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".