854 dage efter sidste DTU-arbejdsdag: Den sidste artikel
I onsdags, den 18. april 2018, udkom den sidste videnskabelige artikel, som er direkte relateret til forskningen i mit ph.d.-projekt.
Der gik således to år og fire måneder, eller 854 dage, fra jeg officielt stoppede på DTU fredag den 18. december 2015, til den sidste artikel var helt færdig og udgivet.
Læs også: Min allersidste uge på DTU
Fotoniske krystaller: Optiske forstærkere, lasere og kvanteteknologi
I artiklen interesserer vi os for egenskaber af kaviteter i såkaldte fotoniske krystal membraner. Sådanne strukturer kan f.eks. anvendes til kompakte optiske forstærkere, små og hurtige lasere såvel som til kvanteteknologi.
Atomer og andre små lyskilder udsender groft sagt fotoner (lys) ved én frekvens, hvilket man f.eks. kan forstå ved at tænke på Bohrs atommodel, hvor frekvensen svarer til energiforskellen mellem to af atomets diskrete energiniveauer.
For at kaviteterne i fotoniske krystaller kan anvendes effektivt, f.eks. så man kan kontrollere, undertrykke eller forstærke lysudsendelsen fra atomer eller kvantepunkter indlejret i krystallerne, skal man have kontrol over egenskaberne af kaviteterne, et fænomen kendt som Purcell effekten.
Inden man går i gang med krævende og dyr fabrikation af disse mikro- og nanostrukturer i avancerede rentrum, laver man derfor computersimuleringer af de fotoniske krystaller.
Computersimuleringer
Vores nye artikel handler i den sammenhæng om at sammenligne og benchmarke fem forskellige beregningsteknikker til at regne på de karakteristiske frekvenser og kvalitetsfaktorer for to af disse typer af kaviteter.
I al sin enkelhed går det for hver metode ud på at regne disse størrelser for de to strukturer - en mindre og mindre krævende, en anden større og mere krævende - så præcist som muligt. I denne proces varierer man med hver metode de beregningsparametre, som uværgerligt er del af numeriske computersimuleringer, og justerer disse, så de fysiske størrelser beregnes så præcist som muligt.
Billedet herunder viser, set ovenfra, en af de fotoniske krystaller, vi har undersøgt. De blå og røde farver viser en af de tilstande, der som en slags stående bølge kan stå i kaviteten.
Figure 1 fra "Benchmarking five numerical simulation techniques for computing resonance wavelengths and quality factors in photonic crystal membrane line defect cavities"
Omfattende studie, lang proces
Jeg skrev den første skitse til denne artikel, mens jeg var i gang med det sidste år af mit ph.d.-projekt. Da jeg forleden dag kiggede i mine digitale gemmer, fandt jeg ud af, at jeg sendte denne første skitse rundt til mine medforfattere den 28. maj 2015.
Det tager dog ikke altid tre år at skrive og få udgivet en videnskabelig artikel.
Vores artikel (som kan downloades gratis hos tidsskriftet) har 13 medforfattere fra fem forskellige institutioner - tre forskellige institutter på DTU (DTU Fotonik, DTU Elektro, DTU Mekanik) og to udenlandske institutioner (Zuse Institute Berlin, ITMO University i Sankt Petersborg).
Dette er et relativt højt antal forfattere, og det har derfor taget tid at blive enige om detaljer i studiet såvel som at få lavet selve arbejdet og indsamlet data. En mindre gruppe af forfattere kan sommetider hurtigere skrive et studie sammen, så hele processen bliver markant kortere end i dette tilfælde.
Fordelen ved det store antal forfattere i vores tilfælde er, at studiet er meget omfattende - alle populære og velkendte beregningsmetoder i nanofotonik er med - ligesom at flere forskere end vanligt har bidraget med forskellige idéer og perspektiver til artiklen.
Den sidste artikel, den videnskabelige sløjfe
Som nævnt er det for mit og mit ph.d.-projekts vedkommende den sidste artikel, som udgives. Denne artikel er den fjerde, vi har færdiggjort og udgivet, siden jeg forlod DTU.
De tre foregående artikler har alle været interessante bidrag, men netop denne fjerde og sidste artikel repræsenterer og opsummerer på mange måder essensen af mit ph.d.-projekt.
Formålet med mit ph.d.-projekt var at implementere og udvikle beregningsmetoder, bl.a. for at kunne designe og analysere fotoniske krystaller med og for vores samarbejdspartnere i Lausanne i Schweiz.
Beregningsmetoden var relativt godt beskrevet i litteraturen, og vi regnede derfor med, at vi ville nå langt med omtalte designs. Men vi rendte ind i flere problemer, som gjorde, at jeg i sidste ende brugte meget tid på valideringen af metoden og på at forstå, hvorfor den ikke virkede så godt, som vi troede den ville.
Blandt de metoder, vi i artiklen har anvendt, er metoden fra mit ph.d.-projekt med pæn afstand den dårligste, når det kommer til med mindst mulig computerkraft at komme med præcise estimater for de beregnede egenskaber af kaviteterne.
Det er naturligvis, når man har brugt tre år på at forstå og implementere netop denne metode, begrædeligt. Men det er mere begrædeligt, at litteraturen efterlader et indtryk af, at netop denne metode er velegnet og effektiv til at regne på fotoniske krystaller.
Denne begrænsning har vi nu kastet lys over, sammen med mange andre interessante resultater fra de øvrige metoder, og det kan forhåbentlig hjælpe andre til at vælge en passende beregningsmetode til fremtidig forskning om fotoniske krystaller.
Og dermed er der nu bundet en pæn videnskabelig sløjfe på mit ph.d.-projekt.
