从6篇Science和Nature系列文章，看有限元模拟如何助力电磁学和光学研究！

路漫学术

2018-10-18

在如今的电磁学和光学相关的科研论文中，模拟计算的使用越来越受到科研人员的青睐。通过模拟计算能够清楚的将电场，光场在空间中的分布显示出来，将微观物理化学变化的机理清楚的展现出来，能为文章提供有力的理论支撑。那么具体来讲光学和电磁学的模拟能解决什么样的问题呢？下面我们来看一些高档次文章中的具体例子，看看如何使用模拟提高文章的质量和档次。

1. 模拟计算各种静电场分布,如电池领域\化学反应领域（Nature, 2016, 537(7620): 382.）

这篇文章设计了尖状的电化学反应电极，模拟了CO2气体被针尖吸附并发生化学反应过程，金属针尖会局域静电场，使得电场强度增强加速CO2吸附并产生快速化学反应。

2. 光学超材料设计 （Science,2015, 347(6228): 1342-1345.）

光学超材料就是通过设计特殊的周期性结构，使得材料具有特殊光学性质。在超材料的设计过程中，必然会使用模拟计算验证结构的可行性。图中设计三角形结构后形成周期性阵列，整体实现了超表面结构。这种结构在不同光波长下响应不同，可以实现纳米光学的汇聚和操控。

3.光催化（Nature communications, 2017, 8: 14542.）

文章设计立方体纳米金块，不同位置由于电场局域程度不一样，催化效果也对应的改变。通过模拟计算得到了纳米金块不同区域的电场强度和反应的活化能，结果显示电场强的区域活化能更小，反应速率更快。

4.极化激元 （NatureCommunications, 2017, 8: 15624.）

极化激元能过增强局部电场强度，从而在光谱，催化等材料科学领域广泛应用。图中设计二维材料的纳米棒，通过在纳米棒不同位置激发，可以通过电磁场分析产生的极化激元的情况。

5.光学器件设计，天线、光纤、波导、滤波器、调制器、传感器 （Nature Photonics, 2017, 11(8): 486.）

文章中设计了二维材料和半导体异质结构，通过此结构设计成低损耗的光波导器件，在分析器件工作之前，可先通过模拟计算得到器件的波导模式分布和损耗。在光学器件的设计中提前模拟计算往往是必不可少的。

6.光谱计算（可见、红外）：各种器件、二维材料和分子等光谱计算 （Science, 2018, 360(6393): 1105-1109.）

通过模拟还可以计算各种光谱。例如这篇Science的工作，利用像素化的介质超表面结构，能够精确读取不同有机分子特有的吸收峰，并呈现出类似“条形码”的二维空间图像，有望应用于新型高灵敏中红外分子检测设备。其中背后的物理机制的分析可通过电磁仿真模拟得出来的，模拟和实验结构也高度吻合。

以上文献中的模拟是如何实现的呢？目前有许多成熟的有限元模拟软件可以实现各种光学和电磁的模拟。例如COMSOL是科研领域主流的模拟光学和电磁领域的有限元模拟软件。以上文献中的模拟我们都可以用COMSOL实现。COMSOL在多物理场领域有先天优势，涉及电磁领域、流体力学、化学工程、热传递等领域。其中在电磁领域应用特别广泛，从普通电容器到高端的5G信号仿真，都能给出精确的数值解以及电磁分布，计算能力非常强大。上面列举的案例，只是科研文章中的九牛一毛。COMSOL的强大计算能力，能给出我们实验上理论指导、验证以及分析，为文章发表到Nature、Science等期刊上极大的助力。相信未来COMSOL为电磁领域仿真模拟带来更多成功和惊喜。