Hochleistungscomputer und Topologieoptimierung für das Design großer dispersiver nanophotonischer Strukturen in 3D.

• Antragsteller: Professor Dr. Antonio Calà Lesina
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527470210

In der Nanophotonik wird die Wechselwirkung zwischen Licht und Objekten im Nanometer-Bereich untersucht, den so genannten Nanostrukturen. Nanostrukturen, die in einem 3D- oder 2D-Gitter angeordnet sind, bilden ein Metamaterial bzw. eine Meta-Oberfläche. Durch plasmonische Resonanzen in metallischen, und Mie-Resonanzen in dielektrischen Nanostrukturen ist es möglich, Licht auf der Nanoebene zu kontrollieren. Die Entwicklung von Meta-Oberflächen und Metamaterialien bieten ein enormes Potenzial für Innovationen im Bereich der Strahlstrukturierung, flacher optischer Geräte, Farbgebung, Biosensorik, Nanomedizin, Quantenkommunikation, Strahllenkung, nichtlineare Optik und Computertechnik. Die topologische Optimierung von optischen Strukturen mit Hilfe von Hochleistungsrechnern hat viele Bereiche in der Wissenschaft und Industrie revolutioniert, in denen völlig neuartige optische Bauteile konzeptioniert und entwickelt wurden. Die Anwendung in der Nanophotonik in Kombination mit dispersiven optischen Materialien steht jedoch noch aus. Durch die methodische und computergestützte Erforschung derartig großer Designräume kann man sowohl Lösungen für komplexe Optimierungsprobleme finden, als auch neuartige, Design-Ideen entwickeln. Das Optimieren stellt jedoch eine große Herausforderung hinsichtlich der dafür benötigten Computerressourcen dar. Die Topologieoptimierung (TopOpt) ist eine inverse Methode, die Designs hervorbringen kann, die weit über die menschliche Intuition und andere Optimierungsmethoden hinausgehen. Im Bereich der Optik wird sie von anderen Forschungsgruppen für das Design von nanophotonischen Strukturen im Frequenz-Raum eingesetzt. Meine Gruppe hat vor kurzem einen TopOpt-Algorithmus für das inverse Design von plasmonischen Nanostrukturen im Zeit-Raum entwickelt, der auf dem Drude-Modell basiert. TopOpt im Zeit-Raum ist effizienter hinsichtlich des computergestützten Rechnens, wenn es um die Optimierung im breitbandigen Spektralbereich geht. Darüber hinaus werden zeitabhängige Methoden aufgrund ihrer besseren Skalierbarkeit für parallele Computerrechnungen bevorzugt. Deshalb optimieren und simulieren wir in unserer Gruppe unter zuhilfenahme eines parallelen 3D-FDTD-Code, der seit über 10 Jahren stetig weiterentwickelt wird. Das erste Ziel dieses Projekts ist es, TopOpt-Funktionen in unseren parallelen 3D-FDTD-Code zu implementieren, um das Design von großen nanophotonischen Systemen in 3D zu ermöglichen. Das zweite Ziel ist die Entwicklung eines TopOpt-Algorithmus im Zeit-Raum für beliebige optische Dispersion, um das Design von Dielektrika, Halbleitern und Metallen in ihrem Interband-Übergangsbereich zu ermöglichen. Diese Methoden werden dann im Rahmen des dritten Ziels eingesetzt, um neuartige Meta-Oberflächen für effiziente Quantenlichtquellen und ionengefangene Quantencomputer zu entwickeln. Strategien, die auf Deep Learning basieren, werden auch im vierten Ziel untersucht, um unseren computerbasierten Rechenaufwand zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Emadeldeen Hassan