局域場的案例
利用Lumerical FDTD計算金屬納米孔的光場局域效果
本篇以基于金薄膜的復雜納米孔結構為例，計算了結構在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結構建模
首先是建立結構模型，結構為上方大孔，下方小孔的嵌套結構，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監視器。將高斯光波長設置為400nm，放置在結構上方，向下照射。
1. 為結構布置
2. 建立的模型
二、參數設置
3. 三維FDTD仿真區域設定
4. 對于x偏振光源下仿真邊界條件的設置，可以將x方向設置為反對稱，y方向設置為對稱邊界條件，z方向全保持為PML。
5. 設置好的結構俯視圖
6. 該設置下的內存需求
三、結果圖
7. 縱面場強
8. 空氣、大環交界面
9. 大環、小環交界面
10. 小環、基底交界面
四、總結
這種具有亞波長尺寸的結構單元可以將光局限在結構內部并難以繼續向下照射，即使下方仍然有可供光束傳播的空間。
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展開 “腦子進水”怎么用有限元分析！！！
由于涉及到
結構自由度、壓力自由度、熱力自由度，本文采用了一種能夠利用非局域場模擬結構-孔隙-流體-擴散-熱分析和結構隱式梯度正則化等耦合物理現象的單元，即CPT212單元。
關鍵仿真模擬技術特征：
多孔介質（可模擬土壤）
空隙壓力-熱力耦合單元
計算結果
壓力擴張導致變形結果：
壓力擴張導致應力結果：應力最大在腦室上下尖端處。
模型建立
模型建立很簡單，遵循
點->線->面->網格。采用平面應變假設。
材料參數
采用新胡克超彈性材料本構模型，超彈性材料的使用在往期文章《心血管支架移植模擬分析》中也有介紹。
定義新胡克超彈性：
tb,hyper,1,,,NEO
tbdata,1,3000,0.005
fpx=4.8e-8
指定各向同性腦滲透性（
多孔介質定義）：
tb,pm,1,,,perm
tbdata,1,f
考慮熱效應：
邊界&載荷條件
外表面：近似固定，約束UX、UY自由度，壓力為0，溫度為人體平均溫度37攝氏度。
DL,ALL,,UX,0
DL,ALL,,UY,0
DL,ALL,,Pres,0
d,all,temp,37.0
內表面：39攝氏度，166.61Pa壓力。
SFL,ALL,PRES,166.61
d,all,temp,39.0
內外表面層：
37攝氏度。
求解設置
采用
SOIL分析類型，這種分析類型適用于含結構和流體孔隙壓力的自由度，如土壤分析，當然這里也可以采用靜力學分析。讀者可以自己嘗試查看兩種分析類型的區別。
antyp,soil !
展開 左如忠教授團隊JMCA: 一種新型的類線性無鉛弛豫反鐵電陶瓷
由于存在大的局域隨機場，反鐵電極性納米微區能夠在非常高的外部電場下仍然呈現出溫度和電場不敏感的類線性極化響應。組成0.78BNT-0.22NN陶瓷在室溫下同時獲得巨大儲能密度和優異儲能效率，并且該材料的高儲能性能在超寬的溫度和頻率范圍內保持優異的穩定性。這些結果表明，BNT基無鉛弛豫反鐵電陶瓷將有望應用于未來脈沖功率電容器中。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c8ta12232f
He Qi, Ruzhong Zuo*, Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978.
展開 【科普系列】基于超材料的無標記光學生物傳感
通過精心設計結構單元的幾何形狀和排布方式，超材料對于電磁波的遠近場調控都展示出前所未有的靈活性，實現了負折射、完美成像、電磁隱身等一系列超常物理特性，在材料學、電磁學等不同領域中都引起了人們的廣泛關注。尤其，超材料能夠在其表面支持顯著的局域場增強，對周圍介電環境的變化極其敏感，在無標記光學生物傳感領域具有重要應用前景。光學生物傳感器可實現生物分子及其相互作用的快速無損檢測，對于疾病的早期診斷、生物醫藥研究以及環境監測等方面都具有重要意義。傳統的光學生物傳感器主要基于表面等離子體共振（金膜等）和局域表面等離子體共振（金納米顆粒等）兩種機理，往往面臨著體積龐大、靈敏度不足、功能單一等缺點，難以滿足日益復雜的實際應用需求。而超材料生物傳感器能夠支持更加豐富的電磁模態，具有更加優異的靈敏度，易于小型化和集成化，而且在功能設計上更具靈活性，是發展下一代高性能生物傳感芯片的重要方案之一。
綜述速覽
近日，北京科技大學新材料技術研究院白洋教授課題組在《材料工程》期刊上發表了題為“基于超材料的無標記光學生物傳感器”的綜述文章。該綜述從超材料的工作頻帶出發，分別總結了可見光與近紅外、中紅外、以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展，包括折射率生物傳感、表面增強拉曼散射、表面增強紅外吸收和太赫茲生物傳感等（圖（1））。
展開 
基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數、圓氣孔半徑等參數進行優化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉無序程度來實現更強的光場局域特性。
圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導模型
對于五邊形旋轉度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉角度，橫坐標為不同的旋轉角度，縱坐標為不同旋轉角度對應取的五邊形數量，無序光子晶體波導見建模如圖2(b)所示。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優化，隨后與優化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
圖3 五邊形氣孔的優化結果
圖4展示了優化后的有光子晶體波導的能量傳輸圖，可以發現其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優化后的Pyz
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展開 報名倒計時 | 2026電力電子技術創新研討會
研究領域包括電力電子磁性元件技術，電磁兼容分析與診斷，電磁檢測，工程電磁場分析與應用，無線電能傳輸等。
內容簡介：隨著AIDC和能源路由器的不斷發展，SST近來成為廣泛關注熱點。本次報告將介紹SST中的中頻中壓磁變壓器的關鍵技術以及相應仿真處理方法，包括電磁參數，磁芯損耗，繞組損耗，雜散電容以及絕緣屏蔽等。
14:00-14:45 | 基于有限元網格數據與AI模型的磁芯損耗預測技術
演講嘉賓：張麗萍 博士｜ 福州大學
研究方向：電力電子功率變換及高頻磁技術。
內容簡介：深度學習建模對標準磁環損耗具備優秀的非線性擬合能力，可精準適配多工況損耗預測。但成型磁芯、集成磁件內部磁密分布不均，會大幅降低損耗預測精度。為此本次分享結合有限元后處理與雙分支深度學習，提出FEM-DL耦合方法，融合局域場信息實現復雜磁件損耗精準預測，有效結合仿真與數據驅動優勢，預測效果良好。
15:00-15:45 | 基于TwinAI及optiSLang的干式變壓器溫升預測模型優化
演講嘉賓：張家銘 | 日立能源(中國）有限公司 R&D Engineer
日立能源（中國）研發工程師，主要負責干式變壓器的新產品開發相關工作。
內容簡介：干式變壓器主要應用于配電場景，在設計過程中溫升的預測是考核產品可靠性和的重要指標，也是本次分享的主題。常規的預測方法有2種，公式法計算和CFD仿真，前者計算速度快但準確性不足，后者仿真考慮全面但耗時耗力。本次分享提供了一種基于optiSLang和TwinAI的預測方法，兼顧了準確性與計算效率。
展開 基于lumerical fdtd模擬等離子共振吸收的折射率傳感器
很明顯，光波入射時，兩層之間會產生局域電磁場的強烈增強。 因此，電磁場可以有效地限制在中間 MgF2 層中，導致光譜中出現明顯的反射率下降。圖 4b 顯示了等離子共振波長下Au圓盤周圍的電近場強度剖面（橫向截面），可以看出Au圓盤邊緣周圍的電場強度顯著增強。</p><div contenteditable="false" width="100%" class="ql-align-justify"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/90c050435cd2496fbcb87c5699cd84d3~noop.image?
展開 eLight·封面 | 源調控對稱破缺極化激元
因此，如何在納米尺度上實現光子的高度局域和精確操控成為一個重要而具有挑戰性的科學難題。極化激元作為一種由光和物質相互作用產生的“半光-半物質”準粒子，憑借其光場局域性強和傳播損耗小的優點，有望應用于構建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質中產生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無限大的波矢傳播，進而把光場壓縮到無限小的尺度。
極化激元的激發和傳播與材料的對稱性密切相關。最近的研究表明，在低對稱單斜晶體中存在一種特殊的雙曲剪切極化激元（hyperbolic shear polaritons），由于單斜晶體介電常數張量的非對角化，其雙曲波前表現出明顯的鏡像對稱破缺，進一步增強了極化激元傳播的定向性。然而，低對稱晶體存在著傳播損耗大的問題，而傳統高對稱性晶體中的本征雙曲極化激元又總呈現出鏡像對稱性，這些因素都不利于實現極化激元的高效定向傳播。
針對上述問題，華中科技大學張新亮、李培寧團隊與中國地質大學（武漢）戴志高教授合作，提出了一種通過控制激發源的極化特性打破雙曲極化激元鏡像對稱性，實現納米尺度光場定向傳輸的新策略。
他們通過研究近場激發源對面內雙曲極化激元的影響機制，從理論和實驗上證明：在不依賴晶體結構的對稱性條件下，可以通過面內偶極矩直接誘發雙曲材料中對稱破缺的雙曲極化激元，從而實現雙曲極化激元在高對稱晶體中低損耗和低對稱晶體中高定向的優勢融合。
該工作以“Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons”為題發表在卓越計劃高起點新刊eLight。
展開 基于comsol的SERS、表面拉曼增強分析 ￥1890
電磁場增強( Electromagnetic enhancement, EM)機理：<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93/2241845" rel="noopener noreferrer" target="_blank">表面等離子體</a>共振( Surface plasmon resonance, SPR)引起的局域電磁場增強被認為是最主要的貢獻，表面等離子體是金屬中的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%87%AA%E7%94%B1%E7%94%B5%E5%AD%90/5428153" rel="noopener noreferrer" target="_blank">自由電子</a>在光電場下發生集體性的振蕩效應。由于Cu, Ag和Au 3種IB族金屬的d電子和s電子的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%83%BD%E9%9A%99/1160599" rel="noopener noreferrer" target="_blank">能隙</a>和過渡金屬相比較大, 使得它們不易發生帶間<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%B7%83%E8%BF%81/8817588" rel="noopener noreferrer" target="_blank">躍遷</a>。
展開 哈工大賀強教授團隊Angew：可編程膠體馬達集群隨光“奔跑”
在外物理場和化學反應等眾多引發膠體馬達集群形成的方式中，光場具有可遠程操控、易于開關、時空分布精準可控等特點，受到了研究者們廣泛的關注。盡管膠體馬達組裝形成團簇的報道屢見不鮮，然而如何像生物集群一樣自主響應環境變化完成自適應和交互式智能轉換，實現膠體馬達集群的可編程自組織和形態動態變構，從而展現集群智能，仍然是膠體馬達領域面臨的一大挑戰。
針對這一關鍵科學問題，哈工大賀強教授研究團隊提出了利用結構光場調控二硫化鉬（Mo
S
2）膠體馬達集群運動的新思路，實現了馬達集群動態的圖案化組裝、解組裝和形態可控變構。該研究通過水熱法得到平均直徑為257 nm的Mo
S
2膠體馬達，在紫外光 (340-380 nm) 的照射下，Mo
S
2膠體馬達與水和溶解氧發生光化學反應，導致其自身周圍形成不對稱的局域化學梯度場，使其可以進行自驅動運動。在梯度光場下，Mo
S
2膠體馬達在正電荷和負電荷的基底表面均展現了正趨光性，即向光強最強的區域運動。實驗和介觀尺度模擬結果表明該馬達這種獨特的集群運動行為是由氧的擴散泳所主導的。
圖1. MoS2膠體馬達的電鏡照片（左圖）及其光驅動機理（右圖）。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
利用自制的結構光照明系統對光源進行編程，可以實現Mo
S
2馬達可控和可逆的組裝與解組裝，并形成“長方形”等形態各異、具有清晰輪廓的馬達集群。該工作還使Mo
S
2膠體馬達形成了“奔跑者”形狀的動態集群，并且可通過調控光源使該“奔跑者”進行連續的“奔跑”，展現了該體系在實現集群可編程動態組裝方面的優勢。
展開 Science | 納米尺度光的“反常”折射現象
極化激元強的場局域，以及靈活可調的波前傳輸和負折射聚焦能力，為片上光學以及納米光子學的調控研究開辟了令人興奮的途徑。
論文信息
Hu H, Chen N, Teng H, Yu R, Xue M, Chen K, Xiao Y, Qu Y, Hu D, Chen J, Sun Z, Li P, de Abajo FJG, Dai Q. Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons. Science379, 558-561(2023).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251
監制：趙陽
編輯：趙唯
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Lumerical案例 | 基于MIM雙環諧振器的等離子體光學生物傳感器
表面等離子體激元（SPPs）在金屬-介質界面的激發，可將電磁場強局域化，極大增強光與生物分子的相互作用，為高靈敏度檢測奠定基礎。但現有技術在特異性、多參數優化及實際環境適應性上仍有提升空間。
MIM 雙環諧振器傳感器的設計與優化
（一）核心結構：MIM雙環諧振器的設計
該傳感器采用MIM雙環諧振器結構，其結構如圖1所示，核心由兩層金屬夾一層介質基板構成，通過納米環與垂直臂的巧妙布局實現電磁場強約束。具體設計中，金納米環與金背反射器的組合被選為最優方案——金具有優異的等離子體共振特性與化學穩定性，可有效減少生物環境中的干擾；絕緣介質基板由一層制成，厚度經優化后確保電磁場與分析物的高效作用；傳感器整體結構參數通過粒子群優化（PSO）算法迭代優化，最終確定關鍵尺寸如表1所示。
展開 2021年第一期《Science》：將金剛石拉伸到極大均勻彈性變形！
這些樣品很難控制，產生的高應變場高度局域化。大的均勻彈性應變，通常是器件陣列的深層ESE的理想初始狀態。這一場景很難在微米尺度的樣品中實驗實現，例如在一個干凈的晶圓中，因為眾所周知的“越小越強”的趨勢，這表明增大尺寸會削弱樣品。
在此，研究者展示了在拉伸載荷下微晶單晶金剛石橋的極大的、可逆的、均勻的彈性變形。為了獲得長度為~1μm、寬度為300 nm、具有明確幾何形狀和晶體取向的拉伸樣品，研究者采用了先進的微波等離子體輔助化學氣相沉積法，獲得塊狀單晶金剛石微加工工藝。研究者開發的工藝可以生產微米尺寸的高質量金剛石結構，這是微型機電系統(MEMS)、量子和光子器件、應變工程晶體管陣列和其他應用的主要候選材料。此外，研究者還演示了金剛石微橋陣列的深彈性應變。研究表明，超大的、高度可控的彈性應變可以從根本上改變金剛石的體帶結構，包括帶隙本征值計算降低了多達2eV。
圖1 微晶單晶金剛石橋試件。
圖2 沿[101]方向加載-卸載拉伸試驗。
圖3 [100]-，[101]-和[111]取向鉆石的統計拉伸結果。
微米尺寸的單晶金剛石橋結構非常適合MEMS、光子器件、量子信息處理器和微電子或納米電子器件陣列的規模。大而均勻的彈性應變應該驅動帶隙的變化，研究者通過DFT模擬和EELS測量，證明了這一點。與此同時，該研究突出了深度彈性應變工程在光子學、電子學和量子信息技術方面的巨大應用潛力。（文：水生）
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