I ricercatori ampliano lo strumento di simulazione per aiutare a progettare la prossima generazione di dispositivi fotonici e quantistici

I ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD) e della National University of Singapore (NUS) hanno ampliato uno strumento di simulazione comunemente usato nella fisica del plasma per comprendere e progettare meglio dispositivi fotonici e quantistici. Il metodo aggiornato, che si basa sulla ben consolidata tecnica di particelle nella cellula (PIC), consente agli scienziati di modellare contemporaneamente il comportamento di dispositivi su larga scala e tracciare la dinamica dettagliata degli elettroni, un equilibrio precedentemente irraggiungibile nella modellazione computazionale.

Questo adattamento consente la simulazione delle interazioni luce-materia in metalli, semiconduttori e altri materiali quantistici, offrendo una visione più completa di come questi materiali rispondono agli stimoli esterni. Gli strumenti di simulazione attuali spesso costringono gli utenti a fare compromessi. Alcuni sono in grado di simulare le prestazioni complessive di un dispositivo, ma mancano della risoluzione necessaria per analizzare il comportamento degli elettroni. Altri offrono informazioni ad alta risoluzione sull'attività degli elettroni, ma sono limitati a strutture di piccola scala, rendendole impraticabili per applicazioni nel mondo reale. Il nuovo approccio elimina questo limite integrando entrambi i livelli di analisi all'interno di una singola piattaforma.

"Per molti anni, i ricercatori hanno dovuto scegliere tra capire come si comporta un intero dispositivo e vedere cosa fanno i singoli elettroni", ha detto. "Volevamo rimuovere questo compromesso. "Invece di creare un simulatore completamente nuovo, i ricercatori hanno migliorato un metodo computazionale esistente già di fiducia dai fisici del plasma in tutto il mondo.

Tuttavia, sono stati originariamente progettati per i plasmi classici e non potevano catturare efficacemente il comportamento quantistico degli elettroni in materiali condensati come metalli, semiconduttori e grafene. Per affrontare queste sfide, il team ha introdotto quattro nuovi moduli di fisica che estendono le simulazioni PIC per tenere conto degli effetti quantistici chiave pur preservando i vantaggi fondamentali del metodo. Questi miglioramenti consentono ai ricercatori di esplorare uno spettro più ampio di interazioni luce-materia su scala nanometrica, il tutto all'interno di un unico ambiente computazionale.

I ricercatori hanno testato il loro framework su vari sistemi di materia condensata, tra cui metalli plasmonici, nanostrutture al silicio ultraviolette e materiali a base di grafene. I loro risultati evidenziano la versatilità dell'approccio per indagare su complessi fenomeni elettromagnetici, dimostrando il suo potenziale per sostenere i progressi in più discipline scientifiche e ingegneristiche. Questo sviluppo potrebbe avere un impatto significativo su ricercatori e ingegneri che lavorano su semiconduttori e tecnologie quantistiche di prossima generazione.

Fornendo uno strumento di simulazione più accurato e flessibile, il lavoro pone le basi per progetti migliorati in sistemi di comunicazione ottica, hardware AI, sensori avanzati e apparecchiature di imaging medico.