РНФ 22-42-08003

Материалы исследований, проведенные в течение первого года выполнения проекта, опубликованы в двух статьях первого квартиля (Materials, ACS Nano) [1,2] и представлены в десяти докладах на конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2022», Можайск), International Liquid Crystal Conference (ILCC-2022, Лиссабон, Португалия), Енисейская фотоника 2022 (Красноярск), SPb OPEN (Санкт-Петербург), Advances in Nonlinear Photonics 2022 (Минск). 

Исследования были направлены на оптимизацию угловых спектров ближней ИК-области для таммовских плазмон-поляритонов, локализованных на границе многослойного зеркала, ограниченного метаповерхностью. Было продемонстрировано отклонение светового пучка вдоль одного направления без механического поворота. При помощи напряжения, приложенного к серебряным нанополосам метаповерхности, изменялась концентрация носителей и, как следствие, диэлектрическая проницаемость тонкой подложки из прозрачного проводящего оксида. В связи с этим существенно изменялась фаза и амплитуда резонансной световой волны. Для управляемой дифракционной решетки период определяется количеством нанополос с разным прикладываемым напряжением. В случае симметричного распределения напряжения вдоль нанополос (одинаковым количеством нанополос с приложенным напряжением и без него) было продемонстрировано значительное (до 30 градусов) отклонению первого порядка дифракции. Несимметричное пространственное распределение фазы вдоль метаповерхности позволяет сосредоточить излучение в единственном дифракционном максимуме и добиться удвоения углового разрешения предложенного устройства.

Также важно обеспечить резонансную чувствительность устройства к принимаемому ИК-излучению. На базе тайваньской инфраструктуры был экспериментально продемонстрирован фотодетектор на основе двумерной германиевой метаповерхности, в которой возбуждаются электрические и магнитные дипольные решеточные резонансы. При перекрытии резонансов Ми с решеточными резонансами реализуется эффект Керкера. Несмотря на малую поглощающую способность германия к ИК-излучению, в метаповерхности толщиной 260 нм резонансное поглощение достигает 60%. Было показано, что за счет локализации электромагнитного поля вблизи полупроводника и дальнейшего преобразования оптической энергии в электричество, в сравнении с однородной германиевой пленкой фототок детектора на основе германиевой метаповерхности возрастает в пять раз.

Схематический вид структуры для управления лазерным лучом

1. Zhou Z.-X., Ye M.-J., Yu M.-W., Yang J.-H., Su K.-L., Yang C.-C., Lin C.-Y., Babicheva V.E., Timofeev I.V. and Chen K.-P. Germanium Metasurfaces with Lattice Kerker Effect in Near-Infrared Photodetectors // ACS Nano, 2022, acsnano.1c11326. (Impact Factor WoS/SJR – 15.881/ 16.242, Q1)

2. Bikbaev R.G., Maksimov D.N., Chen K.-P. and Timofeev I.V. Double-Resolved Beam Steering by Metagrating-Based Tamm Plasmon Polariton // Materials (Basel), 2022, V. 15, P. 6014. (Impact Factor WoS/SJR – 3.623/ 3.682, Q1)

Опубликована популярная статья в СМИ

Материалы исследований, проведенных в течение второго года выполнения проекта, опубликованы в пяти статьях (первого квартиля: Nanomaterials [1], Applied Phys Lett [2]; второго квартиля: Applied Sciences [3], NPFA [4], Photonics [5]) и представлены в 13 докладах на 8 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2024», Можайск), International Conference “Functional Materials” «ICFM-2023» (V. I. Vernadsky Crimean Federal University, 2023), Международная конференция по фотонике и информационной оптике (ФИО МИФИ-2023, Москва), Дни дифракции, Люминесценция и лазерная физика, Невская фотоника, Проспект Свободный, Первые Самарцевские чтения (PECS-2023, Светлогорск). Опубликованы две популярные статьи в СМИ [6-7].

Исследования были направлены на оптимизацию угловых спектров телекоммуникационной области для таммовских плазмон-поляритонов, локализованных на границе многослойного зеркала, ограниченного метаповерхностью. Численно продемонстрировано отклонение светового пучка вдоль двух направлений без механического поворота. Двумерная решетка из золотых нанокирпичей расположена на тонком слое сапфира, нанесенного на слой оксида индия, допированного оловом. Вся структура помещена на поверхность многослойного зеркала. Установлено, что на длине волны 1550 нм проявляется узкий резонанс, соответствующий таммовскому плазмон-поляритону. Увеличение приложенного напряжения приводит к смещению резонансной длины волны в коротковолновую область спектра и значительному изменению фазы отраженной волны. При помощи напряжения, приложенного к золотым нанокирпичам метаповерхности, изменялась концентрация носителей заряда и, как следствие, диэлектрическая проницаемость в тонкой пленке оксида индия, допированного оловом. В отличие от ранее предложенной структуры на основе нанополос, которая позволяет изменять только один угол отклонения пучка, новая метаповерхность позволяет сформировать дифракционную решетку требуемого периода в двух пространственных направлениях и реализовать управление интенсивностью дифракционных порядков как по полярному, так и по азимутальному углу.

Также важно обеспечить резонансную чувствительность устройства к принимаемому ИК-излучению. Численно исследовано поглощение света в германиевой решетке, расположенной на поверхности фотоннокристаллического зеркала. Такая система обеспечивает возбуждение оптического таммовского состояния. Изменение угла падающего на структуру излучения приводит к коллапсу резонансной линии, что является характерным признаком связанного состояния в континууме. Мы показали, что чрезвычайно узкий резонанс таммовского состояния обеспечивает идеальное поглощение в германиевой решетке в режиме критической связи. Предложенный поглотитель может использоваться как при нормальном, так и при наклонном падении света.

На базе тайваньской инфраструктуры был экспериментально продемонстрирован фотодетектор горячих электронов на основе таммовского плазмон-поляритона. Исследовано поглощение света в пленке графена, расположенной между металлической пленкой и фотоннокристаллическим зеркалом. Фотодетектор обеспечивает чувствительность как по длине волны, так и по углу падения. Показано, что фоточувствительность устройства на длине волны 850 нм увеличивается с 0 до 330 мкА/Вт при увеличении угла падения с 0 до 50 градусов, в то время как при нормальном падении на длине волны 517 нм фоточувствительность достигает 271 мкА/Вт.

Был изготовлен слоистый металлодиэлектрический микрорезонатор, в котором в качестве резонаторного слоя используется жидкий кристалл. Трансформация спектров микрорезонатора показана экспериментально с использованием трех методов: механического вращения образца, нагрева и приложения внешнего напряжения. В полученных спектрах наблюдаются множественные исчезающие резонансные линии. Установлено, что исчезающие резонансные линии не являются спектральным проявлением связанного состояния в континууме этой системы. Несмотря на отсутствие истинных связанных состояний в континууме, продемонстрирована экспериментальная настройка резонансной добротности за счет изменения скорости радиационных потерь путем изменения оптических свойств жидкокристаллического слоя.

Схематическое изображение метаповерхности, сопряженной с одномерным фотонным кристаллом, для одновременного отклонения лазерного луча в двух направлениях [5].

Публикации