18 июня 2015

Mode-coupling instability в однослойном кристалле комплексно-пылевой плазмы

В рамках сотрудничества с НОЦ «Ионно-плазменные технологии» мы проводим исследования плазменных пылевых кристаллов.

На этом видео можно увидеть сразу два удивительных явления — пролет тяжелой частицы над двумерным кристаллов, а также особый вид неустойчивости пылевой плазмы — mode-coupling instability (MCI).

Экспериментальной группа: L. Couedel, А. Липаев, Е. Яковлев, Е. Воробьев

Анализ и визуализация результатов: А. Кислов, К. Зайцев и С. Юрченко

Отдельное спасибо А. Ивлеву за предсказание MCI!

30 августа 2014

FDTD моделирование взаимодействия света с фотонно-кристаллическими структурами

Результаты FDTD моделирование процесса взаимодействия плоской электромагнитной волны с глобулярным ФК при накачке его запрещенной зоны

Многие фундаментальные закономерности, описывающие взаимодействие электромагнитного излучения со структурированными оптическими средами, фотонно-кристаллическими структурами, метаматериалами, могут быть изучены при помощи численного решения уравнений Максвелла методом конечных разностей во временной области (finite-difference time-domain - FDTD). Этот метод позволяет исследовать все особенности взаимодействия электромагнитного излучения с фотонным кристаллом (ФК): распространение волны в среде, образование и структуру запрещенных зон, явления локализации оптического поля в объеме и вблизи поверхности ФК, связанные с эффектом структурной фокусировки. Последний эффект приводит к сильной локализации оптического излучения вблизи поверхности кристалла при накачке его запрещенной зоны и имеет фундаментальную значимость, так как присущ не только двумерным и трехмерным ФК, но и акустическим кристаллам, а также квази-кристаллическим структурам различной природы. Он может быть использован для создания новых высокоэффективных сред лазерной физики и нелинейной оптики на базе ФК, а также для разработки методов высокочувствительных спектроскопии.

FDTD моделирование
Пространственное распределение интенсивности в среде, восстановленное на основе результатов FDTD моделирования

Очевидно наличие сильной локализации оптического поля вблизи поверхности ФК, что связано именно с эффектом структурной фокусировки. Необходимо отметить, что структурная фокусировка не может быть предсказана с позиции Блоховской теории взаимодействия света с кристаллом, так как последняя полагает, что волновой фронт, взаимодействующий с ФК, все время остается плоским, в то время как эффект структурной фокусировки связан именно с когерентным искажением волнового фронта.

Результаты исследования поперечных локализованных мод в ФКВ, полученные с помощью FDTD моделирования

Мы видим, что для процессов взаимодействия света с фотонно-кристаллическом волокне (ФКВ) также характерны эффекты локализации оптического поля, которые могут играть важную роль в реализации нелинейных оптических конверсий с помощью ФКВ, в том числе при генерации суперконтинуума.

30 августа 2014

Моделирование методами Монте-Карло

Моделирование методами Монте-Карло

Численное моделирование методами Монте-Карло используется для решения задач рассеяния и дифракции излучения в неоднородных средах (случайных или упорядоченных), для которых невозможно найти аналитическое решение задачи. Посредством усреднения большого числа моделируемых траекторий фотонов в заданной структуре можно определить ее требуемые характеристики.

Моделирование методами Монте-Карло

3D моделирование Монте-Карло в данном случае использовалось для расчета интенсивности излучения, прошедшего от точечного источника через структуру упорядоченных сфер. На рисунке хорошо заметны выделенные направления распространения излучения. Изменение цвета траектории соответствует количеству времени, проведенного фотоном внутри среды. Попадание внутрь сферы показано изменением цвета траектории на желто-красный (желтый цвет соответствует более раннему моменту времени), а распространение вне сфер показано зелено-синим цветом (в более поздний момент времени траектория имеет синий цвет, в начальный момент – светло-зеленый). Таким образом, можно получать результаты расчета для различных моментов времени и различных точек пространства.

30 августа 2014

Моделирование методами молекулярной динамики

Нагревание наночастицы

Молекулярная динамика (МД) - совокупность методов и алгоритмов, предназначенных для моделирования различных систем с разрешением на уровне отдельных частиц. Методы МД являются мощным инструментом, который помогает установить связь между различными закономерностями в микро и макро мире.

Плавление кристаллической пластинки

Современные вычислительные мощности позволяют с успехом применять методы МД для решения широкого круга задач во многих областях науки и техники, таких как: физика конденсированного состояния, нанотехнологии, наука о материалах, биофизика, фармацевтика и многие другие.

Формирование капель жидкости из газа

Особую популярность методы МД приобрели в задачах исследования различных структур, например: воды, аморфные состояний, органических макромолекул (белки протеины). Методы МД позволяют проникнуть в суть явлений, экспериментальное исследование которых проблематично или невозможно: исследование особенностей вещества в условиях наноконфайнмента, изучение быстропротекающих процессов, процессов, протекающих в экстремальных условиях.

Понижении температуры в двухмерной системе

На сегодняшний день, моделирование методами МД является быстро развивающейся областью computer science, а развитие вычислительной техники, позволяет использовать МД для решение все более широкого круга задач.

Расслоения при понижении температуры

При помощи методов МД можно наблюдать за изменением динамики частиц, в случае если система претерпевает фазовый переход. В обоих случая отчетливо видно образование газовой фазы, которая находится в равновесии с жидкостью. Методами МД можно наблюдать и за обратными процессами.

Движение частиц

Методы МД позволяют наблюдать за структурными изменениями на молекулярном уровне, при неравновесных фазовых переходах. Лейнинг ― это явление которое можно наблюдать в системах где два разных типа частиц (A и B) вынуждены двигаться навстречу друг другу, например, системы частиц разного знака, находящиеся в электрическом поле.

Выстраивание в полосы

В отсутствии лейнинга, частицы А будут достаточно беспорядочно протискиваться в своем направлении сквозь движущийся им на встречу поток частиц В. Однако при некоторых условиях происходит принципиальное изменения механизма протекания частиц: частицы типа А начнут выстраиваться в длинные полосы, аналогично будут вести себя и частицы B, в итоге вся система распадается на совокупность длинных цепочек однотипных частиц.

Мембрана

Такие цепочки движутся навстречу друг другу практически не испытывая сопротивления со стороны частиц другого типа. Лейнинг может возникать в коллоидных системах, в плазме и в ряде других систем, важных как с теоретической, так и с прикладной точки зрения