Разработка диэлектрических метаповерхностей с мультипольным откликом для оптики и нанофотоники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10287

НазваниеРазработка диэлектрических метаповерхностей с мультипольным откликом для оптики и нанофотоники

Руководитель Евлюхин Андрей Борисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова Диэлектрическая нанофотоника, наноантенна, мультиполь, метаповерхность, кремниевая наночастица, управление светом, магнитный момент, детектирование

Код ГРНТИ29.19.33, 29.31.00, 29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптика метаматериалов – относительно новое направление, посвященное разработке искусственных сред с экзотическими оптическими свойствами, обладающих структурой нанометрового масштаба и состоящих из определенным образом распределённых наночастиц или «метаатомов». В последнее время исследованиям в данной области уделяется все большее внимание как в Российской Федерации, так и за рубежом, причем акцент смещается именно в сторону плоских, квази-двумерных структур (метаповерхностей), поскольку последние могут быть выполнены на подложке методами нанолитографиии и более совместимы с элементами интегральной оптики. Отличительной особенностью метаматериалов и метаповерхностей является то, что они могут контролировать как электрическую, так и магнитную компоненты света в видимом диапазоне длин волн, что позволяет реализовать ряд важных эффектов (например, нанофокусировка, отрицательная рефракция, эффект невидимости и маскировки и т.д.), которые не могут быть получены в обычных средах. До последнего времени, в качестве элементов таких искусственных сред использовались металлические нанообъекты с сильным поглощением. Некоторое время назад было показано, что наночастицы с высоким показателем преломления и малыми потерями (например, кремниевые либо германиевые) могут обладать существенным магнитным дипольным моментом в видимом диапазоне, при этом поглощение света практически отсутствует. Данное направление было названо «диэлектрическая нанофотоника» и в настоящее время привлекает огромное внимание. Предлагаемый проект направлен на развитие данной области, и в рамках его реализации будут впервые теоретически и экспериментально рассмотрены и детально исследованы метаповерхности из диэлектрических наночастиц с высоким показателем преломления, поддерживающих оптические мультипольные резонансы выше дипольных, что позволяет произвольным образом конфигурировать диаграмму направленности рассеяния. В настоящее время для конфигурирования оптического отклика метаповерхностей используются только первые мультиполи – электрический и магнитный дипольные моменты, что позволило получить ряд интересных эффектов (например, рассеяние исключительно вперед либо назад), в то время как возбуждение мультиполей более высокого порядка подавляется за счет геометрических параметров наночастиц. При этом размер элементов поверхности много меньше длины волны. Тем не менее, именно возбуждение высоких мультипольных резонансов способно обеспечить произвольную, заранее заданную индикатрису рассеяния нанообъектов и, соответственно, оптические свойства метаповерхности в целом. Отметим, что, в отличие от металлических наночастиц, возбуждать высшие мультиполи в диэлектрических наночастицах относительно легко за счет, например, увеличения размеров нанообъектов, модификации их формы либо варьирования параметров излучения. Соответственно, в рамках данного проекта под метаповерхностью, поддерживающей мультипольные резонансы выше дипольных, будем понимать наноструктуру с необычными оптическими свойствами, даже если размер нанообъектов не является малым по сравнению с длиной волны. При помощи управления возбуждением мультиполей и, соответственно, диаграммой направленности могут быть достигнуты произвольные углы преломления света на метаповерхности, включая отрицательные (как в метаматериалах с отрицательным показателем преломления), произвольные значения отражения и пропускания, что крайне важно для задач фотовольтаики, субволновая концентрация электрического либо магнитного полей для задач оптического детектирования и т.д. Помимо управления основным направлением рассеяния, метаповерхности также могут управлять фазой поля, что позволяет задавать заранее определенный координатно-зависимый фазовый сдвиг при прохождении света (создание вихревых, градиентных пучков, задачи голографии), что также будет реализовано в рамках данного проекта. Размещение метаповерхности на плазмонной подложке позволит создавать метаповерхности не для световых, а для плазмонных волн и эффективно управлять их распространением (например, создавать волноводные либо отражающие структуры, произвольно менять направление плазмонной волны и т.д.). Во всех указанных случаях поглощение света в метаповерхности будет практически отсутствовать, благодаря ее малой толщине и слабому собственному поглощению материала наночастиц (например, кремния либо германия). Это, в свою очередь, послужит платформой для создания различных наноустройств, детекторов, элементов оптоинформационых цепей и прочих приборов, управляющих светом либо плазмонными волнами как на нано-, так и на макроуровнях. Таким образом, данный проект посвящен исследованию и экспериментальной реализации нового типа диэлектрических метаповерхностей, а также прототипированию различных наноустройств на их основе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бабичева В.Е., Евлюхин А.Б. Resonant suppression of light transmission in high-refractive-index nanoparticle metasurfaces OPTICS LETTERS, Том: 43 Выпуск: 21 Стр.: 5186-5189 (год публикации - 2018)
10.1364/OL.43.005186

2. Ирина Хромова, Андрей Саянский, Андрей Урютин, Андрей Евлюхин Polarity of the Fano resonance in the near-field magnetic dipole response of a dielectric particle near a conductive surface LASER & PHOTONICS REVIEWS, Том: 12 Выпуск: 9 Номер статьи: 1800037 (год публикации - 2018)
10.1002/lpor.201800037

3. Михаил Балезин, Ксения Барышникова, Полина Капитанова и Андрей Евлюхин Electromagnetic properties of the Great Pyramid: First multipole resonances and energy concentration JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Том: 124 Выпуск: 3 Номер статьи: 034903 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5026556

4. Виктория Е. Бабичева и Андрей Б. Евлюхин Interplay and coupling of electric and magnetic multipole resonances in plasmonic nanoparticle lattices MRS COMMUNICATIONS, Том: 8 Выпуск: 3 Стр.: 712-717 (год публикации - 2018)
10.1557/mrc.2018.112

5. Виктория Е. Бабичева и Андрей Б. Евлюхин Metasurfaces with electric quadrupole and magnetic dipole resonant coupling ACS PHOTONICS, Том: 5 Выпуск: 5 Стр.: 2022-2033 (год публикации - 2018)
10.1021/acsphotonics.7b01520

6. Денис М. Жигунов, Андрей Б. Евлюхин, Александр С. Шалин,Urs Zywietz и Борис Н. Чичков Femtosecond Laser Printing of Single Ge and SiGe Nanoparticles with Electric and Magnetic Optical Resonances ACS PHOTONICS, Том: 5 Выпуск: 3 Стр.: 977-983 (год публикации - 2018)
10.1021/acsphotonics.7b01275

7. Денис В. Новицкий, Алина Карабчевски, Андрей В. Лавриненко, Александр С. Шалин и Андрей Новицкий PT symmetry breaking in multilayers with resonant loss and gain locks light propagation direction PHYSICAL REVIEW B, Том: 98 Выпуск: 12 Номер статьи: 125102 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.125102

8. S M Novikov, V N Popok, А.Б. Евлюхин, M Hanif, P Morgen, J Fiutowski, J Beermann, H-G Rubahn and S I Bozhevolnyi Highly stable silver nanoparticles for SERS applications Journal of Physics: Conf. Series, Volume 1092, conference 1 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012098

9. D M Zhigunov, А.Б. Евлюхин, U Zywietz, S M Novikov and B N Chichkov Near-IR resonant response of Ge microparticles fabricated by femtosecond laser printing Journal of Physics: Conference Series, Volume 1092, conference 1 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012175

10. П.Д. Терехов, К.В. Барышникова, Ю.А. Артемьев, А. Карабчевский, А.С. Шалин, А.Б. Евлюхин Optical multipole resonances of non-spherical silicon nanoparticles and the influence of illumination direction SPIE Proceeding, Optical Components and Materials, Proceedings Volume 10528, Optical Components and Materials XV; 1052802 (2018) (год публикации - 2018)
10.1117/12.2289894

11. Е.А. Гурвиц и А.С. Шалин Numerical calculation and Cartesian multipole decomposition of optical pulling force acting on Si nanocube in visible region Journal of Physics: Conference Series, Volume 1092, conference 1 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012048

12. Денис В.Новицкий, Алина Карабчевский, Андрей В. Лавриненко, Александр С. Шалин и Андрей В. Новицкий Light dynamics in PT-symmetric multilayers: Phase transition, nonreciprocity, and propagation direction locking. journal of physics conference, Vol. 1092, 012100 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012100

13. H. K. Shamkhi and А.С. Шалин All-Dielectric anti-reflective metasurface at visible frequencies journal of physics conference series, Volume 1092, conference 1 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012133

14. Кучерик А., Кутровская С., Осипов А., Герке М., Честнов И., Аракелян С., Шаоин А.С., Евлюхин А.Б, Кавокин А.В. Nano-Antennas Based on Silicon-Gold Nanostructures Scientific Reports (год публикации - 2018)

15. Новицкий А., Шалин А.С., Лавриненко А.В. Spherically symmetric inhomogeneous bianisotropic media: Wave propagation and light scattering Physical Review A, Volume 95, Issue 5, 053818 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevA.95.053818

16. Барышникова К.В., Бабичева В. Е., Белов П. А., Петров М. И. Substrate-mediated antireective properties of silicon nanoparticle array Proceedings of the International Conference Days on Diffraction 2016, рр. 135-136 (год публикации - 2016)

17. Маркович Д., Барышникова К., Шалин А., Самусев А., Краснок А., Белов П., Гинзбург П. Enhancement of artificial magnetism via resonant bianisotropy Scientific Reports, 6:22546 (год публикации - 2016)
10.1038/srep22546

18. Терехов П.Д., Барышникова К.В., Шалин А.С., Карабчевски А., Евлюхин А.Б. Resonant forward scattering of light by high-refractive-index dielectric nanoparticles with toroidal dipole contribution Optics Letters, Volume 42, Issue 4, 15 February 2017, Pages 835-838 (год публикации - 2017)
10.1364/OL.42.000835

19. Филонов Д., Крамер И., Козлов В., Маломед Б. А., Гинзбург П. Resonant meta-atoms with nonlinearities on demand Applied Physics Letters, Volume 109, Issue 11, Article number 111904 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4962838

20. Барышникова К. В., Евлюхин А. Б., Шалин А. С. Magnetic hot-spots in hollow silicon cylinders Journal of Physics: Conference Series, Volume 741, Issue 1, Article number 012156 (год публикации - 2016)
10.1088/1742-6596/741/1/012156

21. Кадочкин А.С., Шалин А. С., Гинзбург П. Granular permittivity representation in extremely near-field light-matter interactions processes ACS Photonics, Volume 4, Issue 9, Pages 2137-2143 (год публикации - 2017)
10.1021/acsphotonics.7b00605

22. Новиков С.М., Попок В.Н., Евлюхин А. Б., Ханиф М., Морген П., Фьютовски Дж., Бирман Дж., Рубан Х.-Г., Божевольный С.И. Highly stable monocrystalline silver clusters for plasmonic applications Langmuir, Volume 33, Issue 24, Pages 6062-6070 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.langmuir.7b00772

23. Козлов В., Филонов Д., Шалин А. С., Штейнберг Б. З., Гинзбург П. Asymmetric Backscattering from the Hybrid Magneto-Electric Meta Particle Applied Physics Letters, Vol.109, Issue 20, Article number 203503 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4967238

24. Бабичева В.Е., Евлюхин А.Б. Resonant Lattice Kerker Effect in Metasurfaces With Electric and Magnetic Optical Responses Laser and Photonics Reviews (год публикации - 2017)
10.1002/lpor.201700132

25. Барышникова К.В., Новицкий А., Евлюхин А.Б., Шалин А.С. Magnetic field concentration with coaxial silicon nanocylinders in the optical spectral range Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, Volume 34, Issue 7, Pages D36-D41 (год публикации - 2017)
10.1364/JOSAB.34.000D36

26. Терехов П.Д., Барышникова К.В., Артемьев Ю. А., Карабчевски А., Шалин А.С., Евлюхин А.Б. Multipolar response of nonspherical silicon nanoparticles in the visible and near-infrared spectral ranges Physical Review B, Volume 96, Issue 3, 035443 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.035443

27. Терехов П. Д., Барышникова К. В., Шалин А. С., Евлюхин А. Б., Хромова И.А. Nonradiating anapole modes of dielectric particles in terahertz range Proceedings of the International Conference Days on Diffraction 2016, pp. 336–339 (год публикации - 2016)

28. Евлюхин А.Б., Фишер Т., Рейнхардт К., Чичков Б.Н. Optical theorem and multipole scattering of light by arbitrary shaped nanoparticles Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics (год публикации - 2016)

29. Зенин В.А., Евлюхин А.Б., Новиков С.М., Янг Я.,Малуреану Р., Лавриненко А.В., Чичков Б.Н., Божеволный С.И. Direct Amplitude-Phase Near-Field Observation of Higher-Order Anapole States Nano Letters, Vol. 17, pp. 7152-7159 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.nanolett.7b04200

Публикации