Наиболее значимые результаты исследований лаборатории фотоники молекулярных систем
Возникновение хирального оптического таммовского состояния на границе холестерического жидкого кристалла и слоистой структуры
Авторы: Н.В. Рудакова, И.В. Тимофеев, Р.Г. Бикбаев, М.В. Пятнов, С.Я. Ветров
Исследовано хиральное оптическое таммовское состояние (ХОТС) на границе холестерического жидкого кристалла (ХЖК) и слоистой структуры, характеризующейся чередующимися одинаковыми одноосными диэлектрическими слоями с ортогональными направлениями оптических осей. Оказывается, что такое многослойное зеркало не меняет знак поляризации отраженного света. Свет правой круговой поляризации при отражении также сохраняет правую круговую поляризацию. Такую структуру можно назвать сохраняющим поляризацию анизотропным зеркалом (СПАЗ). Можно увидеть, что свет локализован около границы СПАЗ-ХЖК, а локальная интенсивность поля спадает экспоненциально с увеличением расстояния от этой границы. Показано, что найденное состояние является высокодобротным, а также может быть эффективно перестроено по частоте. Многослойное СПАЗ можно использовать для эффективного резонансного управления полученным ХОТС. Подчеркиваются преимущества полностью диэлектрической структуры в получении высокой добротности. С помощью теории связанных мод рассматриваются условия критической связи с учетом утечек энергии, образованных материальными и геометрическими параметрами структуры. Полученные аналитические выражения хорошо согласуются с численными расчетами методом матрицы Берремана, обеспечивая возможности интеллектуального проектирования для лазерных и сенсорных приложений.
Схематическое представление границы диэлектрического сохраняющего
поляризацию анизотропного зеркала и холестерического жидкого кристалла.
Rudakova N.V., Timofeev I.V., Bikbaev R.G., Pyatnov M.V., Vetrov S.Ya., Wei Lee.
Chiral Optical Tamm States at the Interface between an
All-Dielectric Polarization-Preserving Anisotropic Mirror and a Cholesteric Liquid Crystal //
Crystals. 2019. v. 9. № 10. P. 502.
Связанное состояние в континууме в одномерной фотонной структуре
Авторы: П.С. Панкин, Б.-Р. Ву, Ж.-Х. Ян, Г.-П. Чэнь, И.В. Тимофеев, А.Ф. Садреев
Предложена одномерная слоистая модель для наблюдения электронного связанного состояния в континууме. Магнитное поле, приложенное к системе, приводит к снятию вырождения по спину. Электроны со спином вниз не могут покинуть центральный слой системы из-за наличия в нем потенциальной ямы, а электроны со спином вверх не могут покинуть центральный слой из-за полной деструктивной интерференции электронных волн на границе слоя, обеспечиваемой поворотом направления магнитного поля в центральном слое. Таким образом, была показана возможность реализации связанного состояния в континууме интерференционной природы.
Аналогия между оптикой и квантовой механикой позволила реализовать явление в фотонной структуре, в которой роль магнитного поля играет повернутая относительно плоскости падения оптическая ось центрального анизотропного слоя, а погружение связанного состояния в континуум происходит при падении света под углом Брюстера qB. Предложенная структура была реализована экспериментально в виде микрорезонатора с зеркалами из одномерного фотонного кристалла с одной стороны и золотой пленки с другой. Резонатор был заполнен планарно ориентированным нематическим жидким кристаллом. Экспериментально показана возможность управления спектральным положением и добротностью микрорезонаторных мод, путем поворота оптической оси жидкого кристалла. При определённых углах поворота реализуется условие возникновения связанного состояния в континууме – полная деструктивная интерференция световых волн на выходе из центрального слоя. Спектрально это было зафиксировано в виде коллапса (сужения и исчезновения) резонансной линии в спектре отражения микрорезонатора. Для объяснения результатов численных и экспериментальных спектров была аналитически решена задача на собственные значения открытой системы. Аналитические, численные и экспериментальные результаты показали хорошее согласие друг с другом.
Схематическое представление слоистой системы с повернутым направлением магнитного поля в центре для наблюдения электронного связанного состояния в континууме (слева). Аналог в фотонике – жидкий кристалл с повернутой относительно плоскости падения оптической осью, заключенный между фотоннокристаллическими зеркалами (в центре). Экспериментальный и теоретический спектры показывают коллапс резонансной линий, свидетельствующий о реализации оптического связанного состояния в континууме (справа).
P. S. Pankin, B.-R. Wu, J.-H. Yang, K.-P. Chen, I. V. Timofeev, and A. F. Sadreev.
One-dimensional photonic bound states in the continuum //
Communications Physics V. 3, № 1 (2020): P. 1-8. (Impact Factor WoS – 4.684, Q1)