Проект «Суперкомпьютерное моделирование процессов создания материалов с заданными оптоэлектронными свойствами для инновационных технологий»

Проект выполнялся в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Суперкомпьютерное моделирование процессов создания материалов с заданными оптоэлектронными свойствами для инновационных технологий».

Цели проекта

Разработка методов, алгоритмов и комплекса программных средств для суперкомпьютерного моделирования электродинамических свойств планарных метаматериалов и плазмонных кристаллов для целей терагерцовой оптоэлектроники, структурированных волноведущих систем с заданными оптоэлектронными свойствами, включающие оптические световоды и фотонно-кристаллические волокна, наноструктурированных материалов с принципиально новой архитектурой, в основе которой лежат иерархические массивы металлических и полупроводниковых нанокристаллов, встроенных в диэлектрические матрицы.

В ходе выполнения проекта решались следующие оригинальные задачи:

а) Выполнена разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для суперкомпьютерного моделирования:

  • электродинамических свойств киральных планарных метаматериалов и фотонных кристаллов – решеток отверстий с винтовой нарезкой, решеток свастикообразных элементов, структур из асимметричных разрезных кольцевых резонаторов;
  • электродинамических свойств планарных метаматериалов с резкой зависимостью коэффициента отражения от тонких деталей структуры метаматериала – типа «шахматных» (checkerboard) структур из металлических микроквадратов;
  • электродинамических свойств волноводных планарных метаматериалов и фотонных кристаллов – гофрированных металлических поверхностей, решеток отверстий и щелей в тонких металлических слоях, периодических структур из разрезных кольцевых резонаторов (split-ring resonators), решеток диэлектрических микроцилиндров и микросфер.

Создание эффективных элементов для преобразования ультракоротких (фемтосекундных) оптических импульсов в терагерцовое поле и манипуляции временными и поляризационными характеристиками этого поля – одна из наиболее актуальных проблем современной оптоэлектроники. Острая потребность в решении этой проблемы обусловлена перспективами широких практических приложений терагерцового излучения, среди которых важное место занимают спектроскопия и сенсорика биологических конституентов, детектирование взрывчатых и ядовитых веществ по их терагерцовым «отпечаткам пальцев», неразрушающий контроль фармацевтических продуктов, ближнепольная терагерцовая микроскопия микрочипов и других объектов. Создание элементов терагерцовой оптоэлектроники (поляризаторов, трансформаторов поляризации, делителей мощности и т.п.) на основе обычных материалов упирается в проблему обеспечения широкополосности этих элементов. Используемые на практике терагерцовые импульсы имеют (субпикосекундную) длительность в 1-2 периода терагерцового поля и, следовательно, относительную ширину спектра порядка единицы. Настоящим прорывом в решении указанной проблемы может стать использование метаматериалов и фотонных кристаллов – искусственных микроструктурированных сред, обладающих уникальными электродинамическими свойствами. Однако для расчета этих свойств требуется решение полной системы уравнений Максвелла совместно с материальными уравнениями сред, составляющих метаматериал, при сложной геометрии элементарной ячейки.

б) Разработка методов и алгоритмов, создание программного обеспечения для суперкомпьютерного моделирования структурированных волноведущих систем с заданными оптоэлектронными свойствами, включающие оптические световоды и фотонно-кристаллические волокна. Освоение новых частотных диапазонов, в том числе и продвижение в средний инфракрасный диапазон, мало освоенный до настоящего времени.

Технологические успехи последнего времени позволяют создавать волноведущие системы с привлечением новых материалов, применение которых позволяет как усовершенствовать имеющуюся техническую базу в стандартных диапазонах длин волн, так и освоить новые частотные диапазоны. В частности, в связи с появлением оптических световодов на основе таких материалов как германатные, фторидные, теллуридные или халькогенидные стекла, появилась возможность освоения диапазона среднего ИК, где указанные материала прозрачны для соответствующих длин волн. Изучение оптических свойств таких волновых структур представляет собой важную как фундаментальную, так и прикладную задачу, а распространение сверхширокополосного оптического сигнала не может быть решено без привлечения сложного моделирования. В рамках предполагаемого проекта предлагается провести моделирование на основе полных уравнений Максвелла, как с привлечением методов конечных разностей (FDTD – finite difference time domain), так и быстрого преобразования Фурье. Оба метода позволяют осуществить распараллеливание процесса вычислений и эффективно использовать тем самым многокластерную архитектуру суперкомпьютерав) Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для суперкомпьютерного моделирования наноструктурированных материалов с принципиально новой архитектурой, в основе которой лежат иерархические массивы металлических и полупроводниковых нанокристаллов, встроенных в диэлектрические матрицы. Предполагается выполнить моделирования механизмов наноструктурирования, осуществляемого с использованием  мощного лазерного излучения,  когда важную роль играют такие явления, как многофотонное поглощение и оптический пробой. Процесс формирования нановключений  в среде будет моделироваться методами молекулярной динамики с учетом реалистического потенциала взаимодействия составляющих атомов. Важное внимание будет уделено созданию компоненты программного комплекса, реализующие параллельные вычисления распределений электромагнитного поля в многокомпонентных системах, включающих микро- и/или наночастицы, подложки, покрытия и др. на графических процессорных устройствах с использованием технологии CUDA.

Практический результат выполнения проекта

Для создания наноматериалов с заданными электрическими и оптическими свойствами, необходимы развитие теоретических методов моделирования нанообъектов, разработка методов симуляции реальных технологических процессов, конструирование наноструктур нового типа. Решение подобных задач возможно только при использовании суперкомпьютерных технологий, позволяющих осуществить численные эксперименты с огромными массивами атомов. Эффективность создаваемого инструментария будет определяться эффективностью разработанных алгоритмов распараллеливания, оптимизации созданных кодов, и в использовании мощностей современных суперкомпьютеров рекордной производительности, что позволит рассчитывать реальные нанообъекты за приемлемое для исследователей время.

Теоретические исследования, заявляемые в проекте, направлены на решение актуальных и оригинальных задач квантовой электроники и оптоэлектроники. Их решение позволит получить результаты фундаментального характера и ряд прикладных результатов, являющихся пионерскими для современной наноэлектроники. Для решения заявленных в проекте задач будет создан пакет оригинальных программ, использующих методы многопоточного программирования на суперкомпьютерах, что позволит достигнуть высокой точности результатов расчета за приемлемое время.

Коллектив исполнителей

В проекте принимают участие сотрудники ИПФ РАН и Нижегородского исследовательского университета. Среди них представители ведущих научных школ Нижнего Новгорода, возглавляемых академиком А.Г. Литваком, членами корреспондентами РАН А.М.Сергеевым и А.А. Андроновым, профессором Р.Г. Стронгиным и другими видными Нижегородскими учеными. В составе исполнителей 4 доктора наук, 14 кандидатов наук, студенты и аспиранты ННГУ. Участники проекта владеют широким набором современных аналитических и численных методов решения проблем, поставленных в данном проекте.