从一篇Science，看COMSOL 如何在电磁模拟中大显神通！

COMSOL是一款集多物理场于一身的数值计算软件，其计算结果与实验数据可实现惊人的吻合，这也体现了其超高的计算精度。通过对计算数据的后处理和可视化，我们可以更进一步理解实验背后的理论机制，使我们在论文撰写中有理有据，文章的质量可以指数上升。

（COMSOL软件操作界面）

今天，我们从一篇经典的Science工作，带大家了解一下COMSOL在电磁模拟模块方面的神通之处。（Tittl, Andreas, et al.Science 360.6393 (2018): 1105.）。

这篇文章利用像素化的介质超表面结构，能够精确读取不同有机分子特有的吸收峰，并呈现出类似“条形码”的二维空间图像，有望应用于新型高灵敏中红外分子检测设备。其中背后的物理机制的分析可通过COMSOL的电磁仿真模拟得出来的，最终发现将椭圆形共振单元排列成二维阵列结构如图一。

构造出像素化的介电超表面，进而改变共振结构的尺寸，使得位于不同像素点的共振单元具有不同波长的共振峰，每个共振都调谐到离散频率。由于像素化的超表面是大量像素点的组合，因而它拥有一系列离散的窄峰组合，从而覆盖待测分子红外吸收段。将蛋白质分子放在超表面上，分子振动和超表面的共振单元电场耦合，会调制像素共振峰的衰减和展宽，最终像素化超表面能够在多个离散的频率点处表现出蛋白质的吸收特性，并将此光谱吸收信息转化为各个像素点吸收信号的条形码空间图。

下面是COMSOL模拟相关的部分图。

  图1：像素化的介质超表面探测生物分子原理（Simulation）

（A）高Q像素点组成的二维阵列，像素点共振频率在目标分子指纹范围内。

（B）由各向异性a-Si：H构成的锯齿状共振单元（Q> 200）。通过将晶胞横向尺寸缩小一定倍数来控制共振频率。

（C）超表面像素点反射光谱，能够覆盖酰胺的光谱范围。

（D）共振像素点的场增强效应。

（E）像素点反射信号的振幅包络再现了蛋白质层的吸收指纹。

（F）通过表面反射响应产生的分子特定条形码。

图2. 实验上与图一对应的测试分析

根据图一二中仿真模拟和实验数据吻合，验证了我们仿真模型的超高精确度。因此进一步通过图一中电磁场能量分布的计算分析，得到分子振动和超表面的共振单元电场耦合的背后物理机制。因此在文章中既有漂亮的实验数据，又有完美的理论分析，整篇文章的质量肯定指数增长，最终有了这篇高档次的Science工作。除此之外，本工作在模拟上利用波动光学或者RF模块进行计算，边界条件是常用的端口和周期性条件，可以去模拟像素化超表面共振的电磁光谱，同时再加上模型中分子模拟，就可以直观的理解清楚分子振动和超表面的共振单元电场耦合过程。因此,COMSOL在未来科研领域会发挥越来越重要作用,尤其是有利于推动交叉学科的发展。

    今天分享的只是有电磁模拟方面的一部分案例，其实有限元仿真模拟还可以应用于很多专业领域，而且越来越多的运用到交叉学科研究中，掌握有限元模拟方法可以说已经成为一种通用的科研技能！

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