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

Результаты исследований, проведенных в течение третьего года выполнения проекта, опубликованы в двух статьях первого квартиля: Nanomaterials, Chinese Journal of Physics. Материалы отражены в 4 докладах на 4 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2024», Можайск), Международная конференция по фотонике и информационной оптике (ФИО МИФИ-2024, Москва), Енисейская фотоника (ЕФ-2024, Красноярск), 22th International Conference on Foundations & Advances in Nonlinear Science and 7th International Symposium on Advances in Nonlinear Photonics (FANS&ANP-2024). Опубликована популярная статья в СМИ: Дайджест РНФ.

А
Включение фазово-изменяющихся материалов в нанофотонную структуру - простой способ сделать ее перестраиваемой со скоростью менее микросекунды. Антимонит, или трисульфид сурьмы (Sb2S3) - это бинарный полупроводниковый халькогенид. Он считается подходящим фазово-изменяющимся материалом для нанофотонных приложений в видимом диапазоне благодаря своему высокому показателю преломления и широкой запрещенной зоне, обеспечивающей низкие оптические потери в ближнем инфракрасном диапазоне. На базе тайваньской инфраструктуры был экспериментально продемонстрирована возможность изменения длины волны таммовского плазмон-поляритона за счет кристаллизации слоя сульфида сурьмы, расположенного между слоем золота и одномерным фотонным кристаллом. Было показано, что фазовый переход антимонита приводит к сдвигу резонансной длины волны на 45 нм с 886 нм до 932 нм. Красный сдвиг обусловлен увеличением показателя преломления слоя сульфида сурьмы при его фазовом переходе из аморфного состояния в кристаллическое. Предложенный способ изменения длины и, как следствие, фазы отраженной волны может быть использован при проектировании устройства для отклонения светового луча.

Расчитанная и изготовленная на базе тайваньской инфраструктуры метаповерхность из антимонита с нанокирпичами субволновой толщины предназначена для возбуждения связанного состояния в континууме и переключения дифракционных порядков на резонансной длине волны.

Б
Рассчитана и изготовлена экспериментально полностью диэлектрическая германиевая метаповерхность из двумерной решетки субволновых наноотверстий. Варьирование высоты наноотверстия и угла падающего на структуру излучения приводит к возбуждению высокодобротного квази-связанного состояния в континууме и низкодобротной высокоизлучающей моды. Оптимизация параметров структуры позволяет добиться практически идеального поглощения на резонансных длинах волн. Представленное устройство на длине волны высокоизлучающей моды продемонстрировало поглощение равное ~98,5% и на длине волны квази-связанного состояния в континууме - 93%. Численные результаты, полученные методом конечных разностей во временной области, объясняются в рамках временной теории связанных мод.

Численно исследована и экспериментально реализована хиральная метаповерхность, образованная путем сопряжения золотых нанополос и золотых нанокирпичей. Поворот нанокирпича на 45 градусов приводит к нарушению зеркальной симметрии структуры. В результате на резонансной длине волны свет с левой и правой круговой поляризацией отражается от неё по-разному. Для демонстрации этого эффекта методом конечных разностей во временной области были рассчитаны спектры отражения метаповерхности. На длине волны 750 нм свет с левой круговой поляризацией полностью поглощается в ней, в то время как свет с правой круговой поляризацией поглощается лишь на 45%. Результаты численного счета и экспериментальные данные дают хорошее согласие. Незначительное смещение резонансной длины волны в синюю область и увеличение коэффициента отражения для света с левой круговой поляризацией обусловлены отклонением формы и размера нанокирпичей. Измеренная величина кругового дихроизма составила 40%. Таким образом, продемонстрирована концепция суперпозиции фазы в одной плоскости, которая полезна для эффективного проектирования хиральных метазеркал и может способствовать разработке сверхкомпактных оптических компонентов.

В

Был представлен комплексный подход к моделированию динамики лазерной генерации в системах на основе жидких кристаллов. Перестройка структуры жидкого кристалла под действием приложенного напряжения была рассчитана в рамках модели Франка-Озеена с конечной энергией сцепления жидкого кристалла, описываемой потенциалом Рапини. Соответствующее изменение диэлектрической проницаемости жидкого кристалла было учтено в уравнениях Максвелла, которые были решены согласованно с уравнениями для заселенностей уровней эмиттеров и поляризаций, вызванных переходами между уровнями. Эмиттеры были описаны как четырехуровневые системы с двумя излучательными переходами. Уравнения для динамики заселенностей энергетических уровней эмиттеров были получены из уравнения Маркова в форме Линдблада, которое учитывало нерадиационные переходы. Итоговая система уравнений содержит только скорости безызлучательных переходов, в то время как динамика радиационных переходов определялась решением уравнений. Система дифференциальных уравнений была решена численно с использованием метода конечных разностей во временной области. Теоретические результаты согласуются с экспериментально измеренными электрически управляемыми спектрами генерации микролазера. Продемонстрированный микролазер состоит из фотоннокристаллического и серебряного зеркал с резонансным слоем из жидкого кристалла, легированного молекулами красителя.

Статьи, в которых представлены достигнутые научные результаты:

• Ye M.-J., Bikbaev R.G., Maksimov D.N., Pankin P.S., Kim M., Timofeev I. V., Chen K.-P. Germanium metasurface near-infrared high-q absorber with symmetry-protected bound states in the continuum // Chinese J. Phys. 2024. Vol. 92. P. 188–194. doi:10.1016/j.cjph.2024.08.018
• Тимофеев И.В. Будущее не в замене электронов на фотоны, а в их союзе // Дайджест РНФ. 2024. № 2. P. 51–53. Link
• Li C.-R., Liao Y.-W., Bikbaev R.G., Yang J.-H., Chen L.-H., Maksimov D.N., Pankin P.S., Timofeev I. V., Chen K.-P. Selective Plasmonic Responses of Chiral Metamirrors // Nanomaterials. 2024. Vol. 14, № 21. P. 1705. doi:10.3390/nano14211705
• Pankin P.S. et. al. https://arxiv.org/abs/2412.03282

Тезисы конференций, на которых представлены достигнутые научные результаты:

1. Д. С. Бузин, П. С. Панкин, В. С. Сутормин, Г. А. Романенко, С. В. Неделин, Н. А. Золотовский, И. А. Тамбасов, С. Я. Ветров, and И. В. Тимофеев, "Электроуправляемая лазерная генерация в металл-диэлектрическом микрорезонаторе," in Всероссийская Научная Конференция с Международным Участием «Енисейская Фотоника-2024». Секция 3 Фотонные Кристаллы, Метаматериалы и Топологические Фазы (СФУ, 2024), pp. 24–25.
2. Р. Г. Бикбаев, Г.-П. Чэнь, and И. В. Тимофеев, "Динамическое управление световым пучком в двух пространственных направлениях с помощью таммовского плазмон-поляритона," in XIII Международная Конференция По Фотонике и Информационной Оптике: Сборник Научных Трудов (НИЯУ МИФИ, 2024), p. 109.
3. Д. П. Федченко, А. С. Зуев, and И. В. Тимофеев, "Топологические свойства оптического таммовского состояния в одномерной цепочке микрорезонаторов," in Сборник Трудов XXXIV Всероссийской Школы-Семинара «Волновые явления: физика и применения» Имени Профессора А.П. СухоруковА (М.: МГУ, 2024), p. 72.
4. Р. Г. Бикбаев, М.-Ю. Йе, Г.-П. Чэнь, and И. В. Тимофеев, "Материалы с фазовым переходом для таммовских плазмон-поляритонов," in Сборник Трудов XXXV Всероссийской Школы-Семинара «Волновые явления: физика и применения» Имени Профессора А.П. СухоруковА (М.: МГУ, 2024), p. 22.
5. D.P. Fedchenko, A.S. Zuev, I.V. Timofeev. Topological properties of the optical Tamm states in a one-dimensional chain of microresonators // 22th International Conference on Foundations & Advances in Nonlinear Science (FANS) and 7th International Symposium on Advances in Nonlinear Photonics. 2024

Возможность практического использования результатов проекта:

Результаты проекта убедительно доказывают, что резонансные метаповерхности, изготовленные из перестраиваемых оптических материалов, могут быть использованы для направленной передачи света и оптической информации, сканирования окружающего пространства и направленного детектирования света определенной частоты. Практический интерес представляет не только плавное, но также и дискретное отклонение луча, которое кратно уменьшает число используемых фотодетекторов. В перспективе перестраиваемые метаповерхности смогут опережать механические сканаторы по скорости, точности, надежности, миниатюрности и удобству изготовления. Это открывает широкие возможности практического использования метаповерхностей, например, в лазерных аддитивных установках и микроскопах с многофотонным поглощением, в однопиксельных камерах и гиперспектрометрах, 3D-сканерах и лидарах. Лидары - это важная часть таких роботизированных автономных устройств, как сортировочные конвейеры, системы безопасности и контроля доступа, беспилотный транспорт. Лазерным дистанционным зондированием активно занимаются в Институте общей физики РАН, в частности, для целей сельского хозяйства [S. V. Gudkov, R. M. Sarimov, M. E. Astashev, R. Y. Pishchalnikov, D. V. Yanykin, A. V. Simakin, A. V. Shkirin, D. A. Serov, E. M. Konchekov, Gusein-zade Namik Guseynaga ogly, V. N. Lednev, M. Y. Grishin, P. A. Sdvizhenskii, S. M. Pershin, A. F. Bunkin, M. K. Ashurov, A. G. Aksenov, N. O. Chilingaryan, I. G. Smirnov, D. Y. Pavkin, D. O. Hort, M. N. Moskovskii, A. V. Sibirev, Y. P. Lobachevsky, A. S. Dorokhov, and A. Y. Izmailov, "Modern physical methods and technologies in agriculture," Uspekhi Fiz. Nauk 194, 208-226 (2024)].

Результаты могут быть востребованы в ряде организаций, занимающихся исследованиями метаповерхностей. Они органически дополняют решения, предложенные в близких проектах Московского государственного университета [Перестраиваемые метаповерхности для немеханических лидаров, https://istina.msu.ru/projects/39135770/], ФНИЦ Кристаллография и фотоника [Оптические метаповерхности с высокоскоростным жидкокристаллическим управлением, https://rscf.ru/project/18-12-00361/] и др.