Cílem práce je rozbor problematiky numerické metody konečných diferencí (a konečných elementů) v časové doméně a její aplikace na fotonické a plazmonické na- nostruktury. Jedná se o teoretické téma, zaměřující se zejména na numerické aspekty metod a jejich efektivní aplikace. Pro konkrétní simulace vybraných struktur a funk- cionalit budou vybrány vhodné nástroje, dostupné veřejně i v rámci pracoviště KFE. Budou též analyzovány a aplikovány, resp. vylepšovány a jednotlivé dílčí algoritmy v rámci metod, řešící specifické aspekty, např. týkající se disperze materiálů, apod.

Cílem práce je rozbor problematiky paralelních numerických výpočtů, s vyu- žitím vhodných numerických metod a nástrojů. Jedná se o teoretické téma, zamě- řující se zejména na numerické aspekty paralelizace vhodných výpočetních metod a jejich efektivní aplikace. Jak se totiž ukazuje, řada fotonických a plazmonických nanostruktur vyžaduje masivní 3D simulace, které jsou již jak paměťově, tak časově velmi náročné. Pro konkrétní simulace vybraných struktur a funkcionalit budou vy- brány vhodné nástroje, dostupné veřejně i v rámci pracoviště KFE. Součástí práce by byly testy paralelních simulací a jejich porovnání, provedené na jednotlivých modelových příkladech struktur.

Cílem práce je rozbor problematiky numerického řešení nelineárních pro- blémů, vyskytujících se v rámci interakce světla ve fotonických a plazmonických nanostrukturách. Byl by vypracován přehled těchto nelinearit a zejména analyzo- vány numerické možnosti jejich řešení, především z hlediska efektivity a spolehlivé strategie simulací, v rámci daných parametrů a vlastností struktury, apod. Je totiž známo, že i když některé algoritmy řešení “slibují”, ne vždy je jejich řešení spoleh- livé, resp. není vůbec fyzikálně použitelné. Bude snahou vytvořit elementární vlastní nástroj, pro simulace vybraných problémů, alternativně s možností rozšíření, modi- fikace vhodných nástrojů, dostupných veřejně i v rámci pracoviště KFE.

Vedoucí práce: doc. Dr. Ing. M. Šiňor
Konzultant(i): doc. Dr. Ing. I. Richter

Abstrakt

Cílem práce je rozbor problematiky specifických numerických metod, založe- ných na integrální formulaci elektrodynamického problému, tedy metod často sou- hrnně nazývaných metody hraničních prvků, resp. metody Greenových funkcí, me- tody momentů, apod. Jedná se o teoretické téma, zaměřující se zejména na nume- rické aspekty integrálních metod hraničních prvků a jejich efektivní aplikace. Tyto metody, jak se ukazuje, jsou zejména vhodné pro numerickou analýzu izolovaných nanostruktur, rezonančního charakteru, kde ostatní běžné numerické metody selhá- vají, nebo jsou neúčinné. Pro konkrétní simulace vybraných struktur a funkcionalit budou vybrány vhodné nástroje, dostupné veřejně i v rámci pracoviště KFE, al- ternativně bude snahou vytvořit elementární vlastní nástroj. Budou analyzovány možnosti zahrnutí realistických vlastností struktur (morfologie, disperze, apod.).

Abstrakt

Nanotechnologie a nanostruktury jsou dnes velmi módním mezioborovým té- matem přinášejícím zcela nové pohledy na fyziku i inženýrské aplikace, v mnoha odvětvích lidské činnosti. Cílem práce je – na základě seznámení se se základy fy- ziky kvantových nanostruktur a možnostmi popisu jejich fungování – diskutovat a rozebrat možnosti jejich dalších aplikací.

Abstrakt

Cílem dizertační práce je rozbor problematiky interakce světla, podpořený numerickýmisimulacemi, se speciálním typem nových vlnovodných a fotonických struktur na nich založených, které obsahují části se ztrátami, kompenzované jinými částmi vykazujícími zisk. Tyto struktury se také v širším kontetxu nazývají fotonickými analogy kvantově mechanických strukturs narušenou symetrií parita-čas (PT), respektive nehermitovské systémy (s komplexními potenciály), přestavují tak jedno z nových perspektivních témat nejen ve fotonice (v analogii s nehermitovskou kvantovou teorií). Příkladem mohou být vzájemně vázané fotonické vlnovody, v nichž některé vykazují ztráty, jiné zisk, vzájemně se kompenzující. Takovéto struktury vykazují prudké změny disperzního chování a přináší tak mnoho nové a překvapivé fyziky. Tato studie by mohla být významná pro mnohopotenciálních aplikací v nanofotonice.

Reference

[1] D. Christodoulides, J. Yang, Springer Tracts in Modern Physics 280, Parity-time Symmetry and Its Applications, Springer Singapore, 2018.
[2] C. E. Rüter, K. G. Makris, R. El-Ganainy, M. Segev, D. Kip, Observation of parity-time symmetry in optics, Nature Physics 6, 192 (2010).
[3] S. K. Gupta, Y. Zou, X.-Y. Zhu, M.-H. Lu, L.-J. Zhang, X.-P. Liu, Y.-F. Chen, Parity-Time Symmetry in Non-Hermitian Complex Optical Media, Advanced Materials 32,1903639 (2020).
[4] B. M. Rodríguez-Lara, R. El-Ganainy, J. Guerrero, Symmetry in optics and photonics: a group theory approach, Science Bulletin 63, 244 (2018).
[5] L. Feng, R. El-Ganainy, L. Ge, Non-Hermitian photonics based on parity-time symmetry, Nature Photonics 11, 752 (2017).
[6] T. Ozawa, H.M. Price, A. Amo, N. Goldman, M. Hafezi, M. Lu, M. C. Rechtsman, D. Schuster, J. Simon, O. Zilberberg, I. Carusotto, Topological photonics, Reviews of Modern Physics 91, 015006 (2019).

Abstrakt

Senzory na bázi povrchových plazmonů, ať již šířících se, lokalizovaných, či jejich kombinací, představují dnes velmi přesnou a atraktivní variantu sledování / monitorování velmi malých změn koncentrací sledovaných látek. Základem je jejich rezonanční odezva, tedy dobře sledovatelná prudká výrazná změna určitého výstupního parametru (např. reflexe světla od takovéto struktury), na základě velmi malé změny parametru vstupního (např. vlnová délka či úhel dopadu použitého světla). Pro takovéto aplikace je zapotřebí pochopit a následně umět využít komplexní fyziku těchto rezonančních efektů, vyskytujících se v takovýchto nanostrukturách. Příkladem jsou efekty zesílené extraordinární transmise, tzv. spoof povrchové plazmony, laditelné vázané subvlnové plazmonické systémy. Předmětem zájmu dále budou nelokální a kvantové plazmonické rezonance, popsatelné pomocí nelokálních hydrodynamických modelů, resp. nelokálního dielektrického formalizmu, v kombinaci s numerickým přístupem (Nelokální RCWA/aRCWA metoda). V případě kvantových procesů potom s využitím kvantově korigovaného modelu, apod.

Reference

[1] S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, 2007.
[2] A. Trügler, Springer Series in Materials Science 232, Optical Properties of Metallic Nanoparticles: Basic Principles and Simulation, Springer International Publishing, 2016.
[3] J. Fiala, I. Richter, Mechanisms Responsible for Extraordinary Optical Transmission Through One- Dimensional Periodic Arrays of Infinite Sub-wavelength Slits: Origin of Previous EOT Position Prediction Misinterpretations, Plasmonics 13, 835 (2018).
[4] B. Špačková, P. Lebrušková, H. Šípová, P. Kwiecien, I. Richter, J. Homola, Ambiguous Refractive Index Sensitivity of Fano Resonance on an Array of Gold Nanoparticles, Plasmonics 9, 729 (2014).
[5] L. Nickelson, Electromagnetic Theory and Plasmonics for Engineers, Springer, 2019.
[6] L. C. Oliveira, A. M. N. Lima, C. Thirstrup, H. F. Neff, Springer Series in Surface Sciences 70, Surface Plasmon Resonance Sensors: A Materials Guide to Design, Characterization, Optimization, and Usage, Springer International Publishing, 2019.
[7] J. Homola, Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors 4, Surface plasmon resonance based sensors, Springer-Verlag, 2006.
[8] Y. T. Long, C. Jing, Springer Briefs in Molecular Science, Localized Surface Plasmon Resonance Based Nanobiosensors, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014.
[9] L. de la Chapelle, M. Nordin Felidj, Plasmonics in Chemistry and Biology, Jenny Stanford Publishing, 2019.
[10] C. D. Geddes, Reviews in Plasmonics 2017, Springer International Publishing, 2019.
[11] S. A. Maier, World Scientific series in nanoscience and nanotechnology 16, World Scientific Handbook of Metamaterials and Plasmonics in 4 Volumes, World Scientific, 2018.