Оптические и транспортные свойства низкоразмерных материалов, помещенных в метаматериальные резонаторы в режиме ультра-сильной связи свет-вещество.

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 20-12-00224

НазваниеОптические и транспортные свойства низкоразмерных материалов, помещенных в метаматериальные резонаторы в режиме ультра-сильной связи свет-вещество.

Руководитель Иорш Иван Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова метаматериалы, оптомеханика, режим ультрасильной связи свет-вещество, метод функционала плотности.

Код ГРНТИ29.31.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является исследование многоэлектронных систем, находящихся в режиме ультрасильной связи свет-вещество. В этом режиме характерная энергия связи между материальной и фотонной подсистемами становится сравнима с энергией перехода системы в возбужденное состояние. Возможно главным удивительным следствием установления режима ультрасильной связи (УСВ) является тот факт, что основное энергетическое состояние характеризуется ненулевым средним количеством фотонов, что в свою очередь приводит к существенной модификации свойств основного состояния. Впервые режим ультрасильной связи был достигнут только 10 лет назад, что привело к резкому росту интереса к данной области исследований. За последние десять лет был достигнут существенный прогресс как в теоретических так и экспериментальных исследованиях режима ультрасильной связи. В частности, были получены аналитические решения для ряда квантовых моделей, характеризующихся режимом УСВ, и предложен ряд применений этого режима от новых протоколов квантовой обработки информации до фотокатализа. Отдельно стоит отметить ряд работ, предсказывающих фазовые переходы в низкоразмерных электронных системах, обусловленные режимом ультрасильной связи, такие например как оптически индуцированная сверхпроводимость. В целом исследования режима УСВ являются одной из наиболее бурно развивающихся областей науки на стыке квантовой оптики и физики конденсированного состояния, что и обуславливает актуальность данного проекта. При этом в исследованиях режима УСВ до сих осталось много открытых вопросов. В частности, не до конца понятно влияние тепловых и иных нерадиационных потерь в резонаторах на характер основного состояния в режиме УСВ. При этом для достижения этого режима зачастую необходимо использовать метаматериальные резонаторы, обеспечивающие глубоко субволновую локализацию полей и как следствие существенное усиление взаимодействия света с веществом. Метаматериалы в свою очередь зачастую характеризуются высоким уровнем нерадиационных потерь, которые необходимо учитывать непертурбативно. Помимо этого в работах, предсказывающих фазовые переходы, обусловленные ультрасильным взаимодействием свет-вещество, зачастую рассматриваются простейшие модельные системы. Для количественного понимания процессов, обуславливающих эти фазовые переходы и для того, чтобы делать предсказания об области параметров, в которых такие переходы могут наблюдаться экспериментально, необходимо самосоглосованно описывать материальную и фотонную подсистему. Замечательно, что такой подход, Quantum-Electrodynamics-Density-Functional-Theory (QEDDFT), был относительно недавно сформулирован. Он однако пока не был имплементирован для систем, поддерживающих ультрасильную связь. Научная новизна проекта заключается в том, что мы планируем восполнить эти важные пробелы. Во-первых мы всесторонне исследуем влияние материальных потерь и пространственной дисперсии резонатора на характер основного состояния различных систем в режиме УСВ. Во-вторых, мы имплементируем подход QEDDFT для систем, поддерживающих ультрасильную связь. Результаты проекта будут иметь как чисто фундаментальную, так и практическую значимость, так как позволят как количественно описывать результаты экспериментов, так и разрабатывать дизайн систем, поддерживающих режим УСВ для применений в квантовой обработке информации. Коллектив, подобранный для выполнения проекта, включает теоретиков, специализирующихся на квантовой электродинамике резонаторов и метаматериалов, так и специалистов по первопропринципным расчетам, методу функционала плотности и его расширениям. Совокупность опыта коллектива в реализации масштабных международных научных проектов, его профессионализма, детально продуманного плана проекта, наличия научного задела позволяют утверждать, что поставленные задачи будут полностью решены, а полученные результаты опубликованы в ведущих научных изданиях и широко востребованы международным научным сообществом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иорш И.В., Пошакинский А.В., Поддубный А.Н. Waveguide Quantum Optomechanics: Parity-Time Phase Transitions in Ultrastrong Coupling Regime Physical Review Letters (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevLett.125.183601

2. Рахманова Гульназ Раифовна, Иорш Иван Владимирович Broadband enhancement of second-harmonic generation at the domain walls of magnetic topological insulators Nanophotonics (год публикации - 2020)
10.1515/nanoph-2020-0287.

3. Седов Д.Д, Козин В.К., Иорш И.В, Chiral waveguide optomechanics: first order quantum phase transitions with Z3 symmetry breaking Physical Review Letters (год публикации - 2020)

4. Токатлы И.В., Гулевич Д.Р., Иорш И. Vacuum anomalous Hall effect in gyrotropic cavity PHYSICAL REVIEW B, Т. 104. В. 8 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevB.104.L081408

5. Нигматулин Ф.О., Шелых И.А., Йорш И.В. Quantum spin compass models in two-dimensional electronic topological metasurfaces PHYSICAL REVIEW RESEARCH, Т. 3. В. 4 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevResearch.3.043016

6. Ю. Маркес, И.А. Шелых, И.В. Иорш Bound photonic pairs in 2D waveguide quantum electrodynamics Physical Review Letters (год публикации - 2021)

7. Кудлис А., Иорш И., Токатлы И.В. Dissipation and spontaneous emission in quantum electrodynamical density functional theory based on optimized effective potential: A proof of concept study Physical Review B, 105 (5), 054317 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.105.054317

8. Ю.В. Жумагулов, С. Чиаваццо, Д.Р. Гулевич, В. Перебейнос, И.А. Шелых и О. Кириенко Microscopic theory of exciton and trion polaritons in doped monolayers of transition metal dichalcogenides npj Computational Materials, V. 8 (1), N 92 (год публикации - 2022)
10.1038/s41524-022-00775-x

9. Нг Р.А., Вильд А., Портной М.Е., Хартманн Р.Р. Quasi-exact solutions for guided modes in two-dimensional materials with tilted Dirac cones Scientific Reports, 12(1),7688 (год публикации - 2022)
10.1038/s41598-022-11742-3

10. Д. Д. Седов, В. Широбоков, И.В. Иорш, И.В. Токатлы Cavity-induced chiral edge currents and spontaneous magnetization in two-dimensional electron systems Phys. Rev. B, 106, 205114 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.205114

Публикации

6. Ю. Маркес, И.А. Шелых, И.В. Иорш Bound photonic pairs in 2D waveguide quantum electrodynamics Physical Review Letters (год публикации - 2021)

Публикации

6. Ю. Маркес, И.А. Шелых, И.В. Иорш Bound photonic pairs in 2D waveguide quantum electrodynamics Physical Review Letters (год публикации - 2021)