Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Предложен новый механизм локализации локализации электромагнитных мод, позволяющий достичь больших добротностей даже в диэлектрических резонаторах субволнового размера. Предложенный механизм локализации основан на сильном взаимодействии двух мод системы, приводящей к практически полному гашению излучения вследствие деструктивной интерференции. В перспективе предсказанный эффект позволит создавать высокодобротные субволновые резонаторы для приложений в нонофотонике и нелинейной оптике. Эти результаты опубликованы [1]. 2. Экспериментально и теоретически показано, что подложка с высоким показателем преломления может разрушать связанные состояния континуума в диэлектрических дифракционных решетках, защищенные поворотной симметрией структуры, превращая их в резонансные состояния с конечным временем жизни. Разрушение локализованных состояний происходит из-за открытия незащищенных дифракционных каналов в высокоиндексной подложке [2]. 3. Теоретически и экспериментально проанализированы свойства дифракционной перовскитной решетки MAPbI3, изготовленной методом наноимпринт литографии. Спектры люминисценции изготовленных структур исследованы с угловым и поляризационным разрешением в диапазоне температур от 10 до 300 К. Обнаружена узкая линия (1-2 нм) поляризованной люминесценции от наноструктурированной области. Было экспериментально продемонстрировано усиление люминесценции в 4-5 раз относительно неструктурированного слоя перовскита [3]. 4. Получено строгое аналитическое выражение для спектральной зависимости сечения рассеяния на открытом резонаторе произвольной формы (ab initio Fano formula). Показано, что в общем случае спектр рассеяния представляет собой каскад резонансов Фано, описываемый тремя вещественными независимыми параметрами [4]. 5. Показано, что модификация взаимодействия между атомами за счет погружения их в Дираковский полуметалл приводит к тому, что основным энергетическим состоянием системы становится антисимметричное состояние, характеризующееся узлом локальной плотности состояний в середине отрезка, соединяющей атомы, что в свою очередь приводит к формированию связанного состояния в континууме [5]. [1] Rybin et al. “High-Q supercavity modes in subwavelength dielectric resonators”, Physical Review Letters, accepted (2017). [2] Sadrieva, Z. F. et al. “Effect of substrate on optical bound states in the continuum in 1D photonic structures”. AIP Conference Proceedings, Vol. 1874, No. 1, p. 030005 (2017). [3] Sadrieva, Z. F. et al. “Photoluminescence behavior of nanoimprinted halide perovskite at low temperatures”. AIP Conference Proceedings, Vol. 1874, No. 1, p. 030029 (2017). [4] Koshelev, K. L., and Bogdanov, A. A. “Theory of Fano resonance for scattering spectrum of all-dielectric spherical resonators”, AIP Conference Proceedings, Vol. 1874, No. 1, p. 030020 (2017). [5] Marques Y. et al., “Antibonding ground state of adatom molecules in bulk Dirac semimetals”, Physical Review B, Vol. 96, No. 4, p. 041112R (2017).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В результате выполнения плана работ на 2018 год были достигнуты следующие ключевые результаты: 1. Теоретически показано, что при нарушении симметрии элементарной ячейки периодических метаповерхностей по отношении к инверсии пространства, происходит разрушение связанных состояний континуума в центре зоны Брюллиэна. Показано, что добротность высокодобротных мод, в которые превращается связанные состояния континуума спадает обратно пропорционально квадрату параметра асимметрии. 2. Получено аналитическое выражение для спектра пропускания и отражения метаповерхностей с элементарной ячейкой, симметрия которой нарушена относительно инверсии пространства. Для параметров резонанса Фано, который наблюдается в спектрах отражения и пропускания таких метаповерхностей получены явные аналитические выражения. 3. Изготовлены образцы кремниевых резонаторов субволнового размера. Измерены карты темнопольных спектры рассеяния для резонаторов различного диаметра, и показно существование выскодобротных мод, образующихся вследствие сильной связи двух резонансов с близкими частотами. Режим сильной связи наблюдался на карте рассеяния в виде характерного антипересечения двух резонансов, построенной в осях длина волны - диаметр цилиндра. 4. Теоретически показано, что для одиночных субволновых диэлектрических цилиндров с высокодобротными модами, которые образуются вследствие деструктивной интерференции двух утекающих мод с близкими частотами может, эффективность генерации второй гармоники при засветке резонаторов азимутально поляризованным гауссовым пучком может на два порядка превосходить сегодняшние рекорды по эффективности генерации второй гармоники в субволновых резонаторах, рассмотренных в литературе до сегодняшнего дня. 5. Разработана теоретическая модель, позволяющая находить времена жизни и спектр экситон-поляритонов, образующихся вследствие сильной связи между экситонами в моноатомном слое дихалькогенида переходного металла с локализованным состоянием континуума в периодической фотонной структуре. Показано, что времена жизни экситон-поляритона в такой системе могут более чем на порядок превосходить время жизни свободного экситона. Важным результатом является то, что наибольшее время жизни для экситон-поляритонов достигается не в центре и не на границе зоны Бриллюэна. Таким образом, конденсация экситон-поляритонов будет происходит в состояние с ненулевой групповой скоростью. Предложенная геометрия эксперимента позволяет получить режим сильной связи без использования брэгговских зеркал. Исходно планировалась только теоретическая работа в этом направлении, но полученные результаты оказались крайне перспективными. Поэтому сейчас идет подготовка к экспериментальной проверки полученных результатов. Таким образом, сверх заявленного плана работ были изготовлены образцы периодических структур на основе Ta2O5 и нанесенным на их поверхность монослоем WSe2, и проведено численное моделирование эксперимента по спектроскопии отражения с угловым разрешением. 6. Методом двухфотонной полимеризации изготовлены образцы периодических фотонных структур согласно дизайну, разработанному в первый год выполнения проекта. Резонансные структуры выращены на поверхности фотонного кристалла типа “поленница”, что позволяет избежать утечки собственных мод резонансной структуры в подложку. Проведены эксперименты по спектроскопии отражения от изготовленных структур. 7. Разработана теоретическая модель, описывающая явление бистабильности (мультистабильнотси) и модуляционной неустойчивости в нелинейных фотонных структурах со связанными состояниями в континууме. Показано, что связанные состояния в континууме защищенные поворотной симметрией фотонной структур могут разрушаться на счет керровской нелинейности. Анализ модуляционной неустойчивости показал, что некоторые состояния, которые не является устойчивыми в бесконечно протяженных структурах, становятся устойчивыми в структурах конечного размера. Проведенные оценки показывают, что предсказанные нелинейные эффекты в фотонных структурах на основе кремния могут наблюдаться уже при интенсивностях несколько микроватт на квадратный сантиметр в ближнем инфракрасном диапазоне. 8. Изготовлены образцы субволновых резонаторов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов в виде кубиков и цилиндров. Кубические резонаторы представляют собой монокристалл. Они изготавливались методам химического синтеза. Цилиндрические резонаторы изготавливались методом наноимпринт-литографии. Для изготовленных образов получены спектры темнопольного рассеяния и спектры люминесценции. Получено хорошее согласование с результатами численного моделирования. 9. Методом наноимпринт литографии изготовлены образцы периодических фотонных структур на основе органо-неорганических перовскитов, поддерживающих высокодобротные состояния в центре зоны Бриллюэна. Получены спектры люминесценции с угловым и поляризационным разрешением изготовленных структур в зависимости от температуры (в диапазоне от 8 до 300 К). Экспериментально продемонстрированы ширины линий люминесценции ~2 нм, что соответствует добротности 300-400. Экспериментально показана возможность управлять управлять направлением узкополосной люминесценции за счет изменения температуры. 10. Экспериментально продемонстрирован режим сильной связи двух электромагнитных мод в цилиндрическом резонаторе в гигарецевом диапазоне частот. 11. Теоретически показано, что при образовании высокодобротных мод в цилиндрическом резонаторе по механизму Фридриха-Винтгена, происходит качественное изменение диаграммы рассеяния резонатора в дальнем поле, которое объясняется подавлением излучения на низшем мультипольном моменте. При этом резонанс Фано, наблюдаемый в спектре рассеяния становится симметричным. Получены явные выражения для параметров Фано резонанса одиночных открытых резонаторов. По результатам выполнения работ этапа 2018 года было опубликовано три работы в реферируемых журналах из первого квартиля и две работы в конференционном сборнике, индексируемым WoS и Scopus. Две работы приняты к публикации в журналах Applied Surface Science и Advanced Photonics. Результаты, полученные рамках этого этапа были представлены на престижных международных конференциях: META (Marseille, France) [приглашенный доклад] CLEO (San Jose, USA) [устный доклад] MetaNano (Sochi, Russia) [устный доклад] PIERS (Toyama, Japan) [устный доклад] Графическую аннотацию к нашей работе [PRL, 121(3), 033903] журнал Phys. Rev. Lett. поместил на обложку выпуска. По результатам выполнения этапа работ за 2018 год была защищена выпускная квалификационная работа “Экситон-поляритоны в структурах со связанными состояниями в континууме” Результаты выполнения этапа работ за 2018 были освещены в СМИ: http://news.ifmo.ru/en/news/7722/ http://news.ifmo.ru/en/science/photonics/news/7186/ http://news.ifmo.ru/en/science/photonics/news/8004/

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения третьего этапа проекта "Высокодобротные оптические микрорезонаторы на основе локализованных оптических состояний континуума" были выполнены все запланированные работы и полученные все запланированные результаты. За отчетный период опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах, все из первого квартиля (Q1). По результатам проекта подготовлена и защищена диссертация "Локализованные оптические состояния непрерывного спектра в одномерных и двумерных фотонных диэлектрических структурах" на соискание степени кандидата физико-математических наук. В частности были получены следующие важные результаты. Согласно плану были изготовлены кремниевые структуры мембранного типа и было показано, что их использование не эффективно для наблюдения локализованных состояний континуума, так как при больших площадях мембраны происходит ее провисание, приводящие к радиационным потерям за счет кривизны, а также к дополнительным потерям в подложку в тех областях, где мембрана провисает наиболее сильно. В связи с этим было решено использовать кремниевые структуры на низкоиндексных подложках, которые подтвердили свою эффективность. Были изготовлены периодические фотонные структуры, поддерживающие связанные состояния в континууме как в ближнем инфракрасном, так и в радиочастотном диапазонах. Проведены измерения спектров рассеяния для изготовленных структур в линейном и нелинейном режимах в зависимости от геометрии элементарной ячейки (степени ее асимметрии) и интенсивности накачки. Экспериментально продемонстрирована эффективная генерация третьей гармоники на примере метаповерхности, состоящей из кремниевых мета-атомов. Показано, что эффективность нелинейной конверсии достигает максимума при определенных параметрах асимметрии, для которых сравниваются радиационные и нерадиационные потери (условие критической связи). Результаты эксперимента полностью подтверждаются разработанными теоретическими и численными моделями. Результаты опубликованы в [ACS Photonics 6, p. 1639 (2019)]. Впервые подтверждено существование связанных состояний в континууме в одномерной периодической цепочке на примере структуры, состоящей из связанных диэлектрических цилиндрических резонаторов. Эксперимент проводился в гигагерцевом диапазоне частот. Измерена зависимость добротности связанного состояния в континууме от длины цепочки (количества периодов), подтвержден квадратичный рост добротности c количество периодов. Проведены измерения ближних полей связанного состояния в континууме для такой цепочки. Результаты опубликованы в [Phys. Rev. A 99, p. 053804 (2019)]. Теоретически и эксперименатльно (в ближнем инфракрасном и гигагерцевом диапазонах) проведено исследование одиночных субволновых резонаторов. Экспериментально подтверждено наличие в спектре субволновых резонаторов высокодобротных резонансов, образующихся вследствие деструктивной интерференции двух утекающих мод с близкими частотами. В ближнем инфракрасном диапазоне экспериментально показана добротность 180 для AlGaAs для дисков с высотой 635 нм и диаметром 930 нм. Использование подложки, содержащей слой ITO толщиной 300 нм позволило в два раза превысить добротность для аналогичного резонатора в воздухе (без подложки). Для экспериментального исследования высокодобротных резонансов, образующихся вследствие деструктивной интерференции двух утекающих мод с близкими частотами, в радиочастотном диапазоне были использованы керамические цилиндры с диэлектрической проницаемостью 40 и тангенсом угла потерь 1e-4. Экспериментально показано, что при изменении аспектного отношения цилиндра на 10% добротность некоторых собственных возрастает с нескольких сотен до десятков тысяч. Также была развита теория таких состояний и показана их связь с резонансами Фано [Adv. Photonics 1, p. 016001 (2019)]. Развита теоретическая модель для описания связанных состояний континуума в рамках дипольного приближения, основанная на вычислении решеточных сумм. Для более точного описания структур конечного размера за рамками дипольного приближения, а также структур с учетом беспорядка и перерассеяния был реализован программный код, в основе которого лежит метод Т-матрицы, позволяющий учесть произвольное число мультиполей. Проведен анализ зависимости добротности связанных состояний континуума в периодических структурах (массив бесконечно протяженных диэлектрических цилиндров) от размеров структур с учетом материальных потерь, а также от амплитуды беспорядка. Сверх плана проекта была развита теоретическая модель субволнового диэлектрического высокодобротного резонатора, одновременно использующего два принципа локализации света. В нормальном направлении свет локализуется за счет брэгговских отражателей, а в латеральном направлении за счет деструктивной интерференции двух утекающих мод с близкими частотами. Показано, что одновременное использование этих двух принципов локализации позволяет существенно повысить соотношение добротности к объему моды. Результаты приняты к публикации в журнале Optics Letters. Таким образом, все поставленные задачи выполнены, а результаты опубликованы в престижных журналах и широко представлены на международных конференциях. Часть полученных результатов освещалась в СМИ и научно-популярных статьях (News and Views): https://doi.org/10.1117/1.AP.1.1.010503 https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/8286/