Как моделировать притягивающий луч, оптическую ловушку и способы управления наночастицами

Руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО Александр Шалин выступил на Дне COMSOL в Москве, где рассказал о новых алгоритмах мультифизического моделирования и расчета оптических сил с помощью программы COMSOL Multiphysics. Эксперт вуза показал, как с помощью программы можно моделировать возбуждение однонаправленных поверхностных плазмон-поляритонов, а также их оптомеханическое воздействие на нанообъекты на поверхностях металлов. Благодаря этому группа Александра Шалина получает фундаментальные результаты в области оптомеханики и улучшает качественные характеристики таких эффектов, как притягивающий луч, оптическое улавливание, позиционирование наночастиц в пространстве и других.

Мероприятие День COMSOL проходит в разных городах по всему миру ежемесячно. В конце октября оно состоялось в Москве. Программа включает в себя мастер-классы, тренинги, а также лекции приглашенных докладчиков. Выступить с тезисами приглашают специалистов, которые активно публикуют результаты своей работы с программой COMSOL Multiphysics и разрабатывают новые алгоритмы ее использования для инженерных или научных целей. Обычно на День COMSOL выступает несколько лекторов, в Москве свои доклады представили трое ученых, в том числе Александр Шалин.

Организаторы День COMSOL обратили внимание на лабораторию «Нанооптомеханика», потому что в пабликах лаборатории в Facebook и VK постоянно публиковались научные материалы, полученные с использованием программы, которые и заинтересовали организаторов мероприятия.

«Любой программный продукт необходимо правильно применить, иначе можно получить неверные результаты решаемых задач. Например, в области нанооптомеханики нужно правильно выбрать геометрию исследуемых объектов и окружающего пространства, участвующего в расчетах, граничные условия, сравнить эти данные с аналитикой. Потому что если неправильно задать эти условия, то можно произвести неверные подсчеты. Делать новую фундаментальную физику в любом программном обеспечении – это некий вызов, потому что ты занимаешься тем, что ранее никто не делал. Нельзя просто взять готовую модель из представленных в библиотеке программы. Нужно создавать собственную модель и при этом разбираться не только в программных инструментах, но и в самой физике. Иногда многократно проверенные методы не работают, и приходится искать другие пути решения задачи», – прокомментировал Александр Шалин.

Программа COMSOL Multiphysics
Программа COMSOL Multiphysics

Какие задачи решаются в лаборатории «Нанооптомеханика»

На День COMSOL Александр Шалин рассказал о расчетах оптических и плазмонных сил, в частности, о моделировании поведения дипольной наночастицы на плазмонной подложке и того, как этой частицей можно управлять с помощью плоских волн и гауссовых пучков. Благодаря этому можно притягивать наночастицу к источнику излучения, то есть создавать так называемые «притягивающие лучи».

Использовать фокусированные лазерные пучки для перемещения объектов с успехом удается, когда необходимо переместить микрочастицы. Однако, когда тот же метод применяется по отношению к наночастицам, Броуновское движение сильнее влияет на частицы и просто выталкивает их из лазерного пучка.  Для того, чтобы этого не происходило, необходимо использовать вспомогательные системы или условия. В лаборатории «Нанооптомеханика» для создания таких условий используются плазмон-поляритоны. Это поверхностные волны, которые распространяются по поверхности некоторых металлов. Если на наночастицу, расположенную на такой подложке, просто посветить лазером, то ничего не произойдет, а плазмон-поляритоны распространятся симметрично. Но, если посветить на частицу под определенным углом и подобрать параметры излучения, можно возбудить однонаправленные плазмон-поляритоны. В результате, согласно закону сохранения импульса, возникнет реактивная сила, которая толкнет частицу обратную по отношению к направлению распространения плазмон-поляритонов сторону. Таким образом, частица будет двигаться вдоль поверхности по направлению к источнику излучения. О том, какие еще методики ученые используют для создания притягивающих лучей не только в оптике, но и с помощью акустических или водных волн, читайте в материале ITMO.NEWS.

Кроме того, в лаборатории «Нанооптомеханика» работают над способами усиления оптической ловушки. С помощью оптической ловушки ученые могут исследовать отдельные микрообъекты, в том числе клетки живой ткани, или манипулировать микрочастицами, удерживать их в неподвижном состоянии.  Для этого необходимо направить на них фокусированный лазер с необходимой длиной волны и интенсивностью. Инструмент, с помощью которого происходит такой захват, называют оптической ловушкой или оптическим пинцетом (подробнее о том, как можно использовать оптические ловушки для изучения биологических объектов, читайте в материале ITMO.NEWS).

В Университете ИТМО показали, что если наночастицу разместить на поверхности металла и посветить на нее сфокусированным гауссовым пучком, то можно возбудить однонаправленные плазмон-поляритоны, которые могут как помочь захватить частицу в центр пучка, так и, наоборот, вытолкнуть ее из него. При этом, изменяя параметры пучка, ученые могут захватывать или выталкивать частицы определенных размеров, то есть производить сортировку частиц по размеру. Значимость исследований команды вуза в том, что им удалось разработать систему, в которой для захвата частицы требуется пучок с гораздо меньшей интенсивностью, чем в других системах. Благодаря этому уменьшается вероятность того, что частица сгорит под действием излучения, а также увеличивается эффективность захвата.

В-третьих, научная группа Александра Шалина также моделирует системы выстраивания и самоорганизации наночастиц на поверхности металлов с помощью однонаправленных плазмон-поляритонов. За счет того, что длина волны плазмон-поляритона короче, чем волны оптического излучения, можно позиционировать частицы более точно, варьируя свойства излучения и подложки. За счет интерференции поверхностных плазмон-поляритонов и распространяющихся электромагнитных волн можно создавать решетки из нанообъектов на поверхности металлов с различными, даже анизотропными параметрами решетки. Таким образом, на основе данного подхода может быть реализован новый метод оптической самоорганизации наночастиц на подложках.

Другие доклады на День COMSOL

На День COMSOL также выступили два других ключевых докладчика. Сергей Попков, старший научный сотрудник НИИ измерительных систем им. Ю. Е. Седакова, рассказал про использование новых алгоритмов моделирования для работы с тензорезистивными датчиками. Доцент Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина Оксана Лимановская описала свою работу в области моделирования электрохимических процессов.

Александр Шалин
Александр Шалин

«Второй доклад заинтересовал с перспективной точки зрения. У нас в лаборатории мы хотим объединить химию и оптику метаматериалов и наноструктур и использовать необычные свойства наноструктур для управления химическими реакциями. Кроме того, на мероприятии удалось наладить контакты со специалистами в области нанесения тонких нанопленок, которые могут быть использованы для просветления оптических элементов и повышения эффективности тонкопленочных солнечных батарей за счет создания светоулавливающих покрытий. Эти покрытия мы разрабатываем в Университете ИТМО уже достаточно давно и в настоящее время выходим на уровень патентования и коммерциализации», – добавил руководитель лаборатории «Нанооптомеханика».

В лаборатории также занимаются диэлектрической нанофотоникой, то есть создают наноструктуры из диэлектриков, с помощью которых можно управлять фазой, формой пучка света, его отражением, а также решать задачи в области голографии, разрабатывать просветляющие наноструктурые покрытия, которые можно использовать для линз в том числе. Лаборатория сотрудничает со специалистами из Ганноверского лазерного центра, Университета Центральной Флориды, Университета Аалто в Финляндии, Академического университета РАН и других научных институтов. Каждое направление работы лаборатории курируется как экспертом со стороны Университета ИТМО, так и со стороны зарубежных партнеров.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба