Topics in Theoretical and Computational Nanoscience: From Controlling Light at the Nanoscale to Calculating Quantum Effects with Classical Electrodynamics

علاقه به سازه‌هایی با ویژگی‌های طول نانومتری با امکان‌پذیر شدن تکنیک‌های آزمایشی برای ساخت آنها به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته است. مطالعه پدیده‌های این حوزه، علم نانو نامیده می‌شود و تمرکز تحقیقاتی شیمیدانان، فیزیک محض و کاربردی، مهندسین برق و دیگران است. دلیل چنین تمرکزی، طیف گسترده ای از اثرات جدید است که در این مقیاس وجود دارد، هر دو مورد علاقه اساسی و عملی، که اغلب از برهم کنش بین نانوساختارهای فلزی و نور ناشی می شود و طیف وسیعی از افزایش میدان الکترومغناطیسی بزرگ تا انتقال نوری خارق العاده را در بر می گیرد. نور از میان آرایه‌های حفره‌های زیرموج.

این پایان‌نامه با هدف پرداختن به برخی از اساسی‌ترین و برجسته‌ترین سؤالات در علم نانو از دیدگاه نظری و محاسباتی، به‌ویژه:

· در تک سطح نانوذرات، الکترودینامیک تجربی و کلاسیک چقدر موافق هستند؟

· رابطه دقیق بین پاسخ نوری و مورفولوژی، ترکیب و محیط نانوذرات چیست؟

· آیا یک نانوساختار بهینه وجود دارد؟ برای ایجاد افزایش میدان الکترومغناطیسی بزرگ، و آیا محدودیت اساسی برای این وجود دارد؟

· آیا می‌توان از نانوساختارها برای کنترل نور، مانند محدود کردن آن، یا ایجاد برهمکنش پدیده‌های پراکندگی متفاوت، مانند حالت‌های سطح الکترومغناطیسی و اثرات پراش استفاده کرد؟

· آیا این امکان وجود دارد؟ برای محاسبه اثرات کوانتومی با استفاده از الکترودینامیک کلاسیک، و اگر چنین است، چگونه بر خواص نوری تأثیر می‌گذارند؟

Interest in structures with nanometer-length features has significantly increased as experimental techniques for their fabrication have become possible. The study of phenomena in this area is termed nanoscience, and is a research focus of chemists, pure and applied physics, electrical engineers, and others. The reason for such a focus is the wide range of novel effects that exist at this scale, both of fundamental and practical interest, which often arise from the interaction between metallic nanostructures and light, and range from large electromagnetic field enhancements to extraordinary optical transmission of light through arrays of subwavelength holes.

This dissertation is aimed at addressing some of the most fundamental and outstanding questions in nanoscience from a theoretical and computational perspective, specifically:

· At the single nanoparticle level, how well do experimental and classical electrodynamics agree?

· What is the detailed relationship between optical response and nanoparticle morphology, composition, and environment?

· Does an optimal nanostructure exist for generating large electromagnetic field enhancements, and is there a fundamental limit to this?

· Can nanostructures be used to control light, such as confining it, or causing fundamentally different scattering phenomena to interact, such as electromagnetic surface modes and diffraction effects?

· Is it possible to calculate quantum effects using classical electrodynamics, and if so, how do they affect optical properties?