Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект посвящен фундаментальным исследованиям, направленным на разработку методов концентрации электромагнитной энергии оптического диапазона в малых пространственных масштабах для реализации новых сверхтонких элементов интегральной оптики, перестраиваемых источников оптического излучения, а также наноустройств, позволяющих управлять параметрами светового излучения на субволновых масштабах. Идея проекта связана с возможностью резонансного возбуждения квази-запертых мод в наноструктурах и метаповерхностях с бианизотропными свойствами посредством внешних линейно-поляризованных электромагнитных волн. В первый год реализации проекта проводимые исследования были направлены на построение аналитических моделей оптического отклика метаповерхностей, составленных из частиц с бианизотропными свойствами, а также условий формирования квази-запертых мод в таких системах. Была предложена теория нелокального оптического отклика, позволяющая описать происхождения банизотропных свойств диэлектрических частиц. Теория основана на разложении внешнего электрического поля в ряд Тейлора с последующим вычислением вкладов в наведенные дипольные моменты частицы от каждого члена разложения. Используя свойство взаимности диэлектрической восприимчивости, были явно получены соотношения симметрии прямых (электрических и магнитных) и бианизотропных (электро-магнитных и магнитно-электрических) тензоров дипольной поляризуемости, которые полностью согласуются с теорией Онзагера кинетических коэффициентов. Сформулированы правила возникновения бианизотропного отклика частиц в зависимости от их симметрии, а именно: а) условие на бианизотропию продольного типа: если направление волнового вектора падающей волны не совпадает с осью вращательной симметрии частицы, то возникают ненулевые продольные компоненты дипольных моментов частицы, ориентированные вдоль направления падения внешней волны; б) условие на бианизотропию поперечного типа: если в системе реализуется продольная бианизотропия, то не связанные с диагональными элементами тензора поляризуемости дополнительные вклады в поперечные компоненты дипольных моментов частицы возникают в том случае, если внешняя волна падает вдоль направления, которое не является перпендикулярным к плоскости зеркальной симметрии. Таким образом, установлено, что одной из возможностей формирования бианизотропного отклика частицы является внесение в ее структуру дефекта, нарушающего симметрию. Для анализа бианизотропного отклика частиц произвольной формы была разработана двухступенчатая схема исследования, которая включает в себя численный мультипольный анализ спектров сечений рассеяния в заданном частотном диапазоне, а также последующую процедуру оптимизация параметров частицы для реализации требуемого бианизотропного отклика на заданной длине волны. В частности, используя модель кремниевого цилиндра со смещенным от центра разрезом определены условия возникновения квадрупольной бианизотропии. Полученный результат может быть использован для разработки метаповерхностей с резонансными оптическими свойствми на квадрупольном отклике ее составных частиц. Далее, построены аналитические модели для расчета дипольных моментов частицы в составе как бесконечных, так и конечных (по размеру) массивах частиц, проявляющих бианизотропные свойства. В случае бесконечных метаповерхности, модель позволяет произвести расчет коэффициентов прохождения и отражения плоских электромагнитных волн. Для конечных массивов выполняется расчет их сечений экстинкции и рассеяния, а также коллективные мультипольные моменты всей системы. Применение построенных моделей позволило в явном виде раскрыть механизм возбуждения квази-запертых мод в метаповерхностях, составленных из частиц с бианизотропными свойствами, и выработать алгоритм для настройки и оптимизации параметров метаповерхностей, поддерживающих резонанс квази-запертых мод в заданном спектральном диапазоне. Установлено, что полностью запертая мода соответствует определенным образом сфазированным дипольным моментам отдельных частиц, направленным перпендикулярно плоскости метаповерхности. Показано, что спектральное положение запертой моды определяется периодом метаповерхности и индивидуальными поляризуемостями частиц. В случае кремниевых призм с основанием в форме равнобедренного треугольника, были определены условия возникновения квази-запертых мод в метаповерхностях, составленных из них, и произведен расчет полей внутри их элементарных ячеек. Установлено, что в условиях квази-запертой моды интенсивности электрического и магнитного полей в такой метаповерхности могут достигать значений на три и четыре порядка выше чем интенсивности падающих полей соответственно. Показано, что поля локализуются как в частицах, так и над метаповерхностью, образуя «горячие зоны» вне частиц. Осуществлен подбор параметров, при которых может быть реализовано поляризационное переключение (на одной длине волны) в метаповерхности между квази-запертыми модами электрического и магнитного типа. Предложено использовать такие метаповерхности для управления накачкой специально внедренных активных центров. В экспериментальном плане, отработана технология напыления кремниевых пленок на подложки из диоксида кремния, с последующей их характеризацией с помощюъ эллипсометрии. Далее, используя метод ионно-лучевой литографии, были изготовлены массивы кремниевых дисков, характеризация которых осуществлялась методами сканирующей и оптической микроскопии. Проведено комплексное исследование особенностей возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в графене посредством высокоэффективной передачи энергии от расположенных вблизи его поверхности полупроводниковых квантовых точек, накачкой которым могут служить квази-запертые моды метаповерхности диэлектрических бианизотропных частиц. Построена теоретическая модель и выполнен анализ особенностей, возникающих при использовании опто-плазмонной V-схемы взаимодействия с полупроводниковой квантовой точкой, возбуждаемой одновременным воздействием поля оптической накачки и поверхностной плазмон-поляритонной модой, – на сильно различающихся частотах. Выполнена оптимизация параметров графена и размещенной InSb квантовой точки над ним, при возбуждении которой оптическим полем на длине волны 1.55 мкм происходит формирование ближнеполевого отклика на 5.24 мкм, приводящего к эффективному возбуждению поверхностных плазмон-поляритонов. Использование коллективного резонанса с поверхностными плазмон-поляритонами в метаслое квантовых точек вблизи графена позволило реализовать конструктивную интерференцию откликов отдельных квантовых точек и существенно усилить ближнее поле всей системы в целом. Показана возможность генерации медленных/долгоживущих плазмон-поляритонов в рассматриваемой системе, эффективный групповой показатель преломления для которых достигает сотен единиц. Такие долгоживущие плазмон-поляритоны могут служить альтернативой длиннопробежным и использоваться для создания ярких ближнеполевых источников поверхностных волн на графене. В экспериментальном плане, отработана технология перенесения графена на неструктурированную подложку и разработана методика прямой генерации поверхностных плазмон-поляритонов в графене. Для последующего использования графена в качестве пламонной платформы, в его структуре были определены зоны с дефектами, которые могли служить центрами генерации поверхностных плазмон поляритонов. Для обнаружения плазмон-поляритонов был предложен метод на основе регистрации их конвертации в распространяющиеся от поверхности волны. Результаты выполнения проекта нашли отражение в сети Интернет, ссылки на ресурсы: https://zanauku.mipt.ru/2020/10/29/oboshlos-bez-poter-uchenye-nakachali-grafen-svetom/ https://www.photonics.com/Articles/Extra_Level_Helps_Convert_Light_Energy_into/a66400

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором году реализации проекта, посвященного фундаментальным исследованиям возможностей концентрации электромагнитной энергии оптического диапазона в малых пространственных масштабах за счет резонансного возбуждения квази-запертых мод в наноструктурах и метаповерхностях, был получен ряд важных результатов. В соответствии с предложенным планом исследования проходили по нескольким направления. Теоретический блок включал задачи 1) по оптимизации геометрических и материальных параметров диэлектрических, гибридных и слоистых наночастиц для получения резонансного анизотропного или бианизотропными оптического отклика в заданном спектральном диапазоне, 2) изучение влияния неоднородного окружения в виде подложки на резонансный отклик отдельных частиц и резонанс запертых мод метаповерхностей, 3) исследование влияния электромагнитных полей, возбуждаемых в неоднородных системах с квантовыми точками на развитее кооперативных оптических эффектов и на изменение спектров их люминесценции. Все задачи были рассмотрены, и получены соответствующие результаты. В экспериментальном блоке были отработаны методы создания массивов кремниевых частиц, а также была проведена характеризация их геометрических и оптических свойств. Основные теоретические результаты сводятся к следующему. Выполнен расчет сечений рассеяния и экстинкции с включением мультипольной декомпозиции для гибридных частиц (кремний+золото) кубоидной формы. Показано, что основным механизмом взаимодействия света с гибридными частицами (кремний+золото) с размерами порядка 100 нм является поглощение. Наведенный за счет «материальной» асимметрии бианизотропный отклик в рассеянии является слабым и на фоне подавляющего поглощения не сможет обеспечить реализацию наблюдаемых квази-запертых мод в метаповерхностях, составленных из таких гибридных частиц. В этих условиях метаповерхность будет проявлять свойства набора независимых поглотителей световой энергии. При изучении чисто кремниевых частиц было установлено, что такие частицы в виде параллелепипеда обладают изотропным резонансным оптическим откликом при облучении частицы вдоль оси вращательной симметрии. В ближнем инфракрасном диапазоне экстинкция в основном определяется рассеянием. Внесение специального дефекта в форму частицы, разрушающего ее вращательную симметрию, приводит к возникновению анизотропного и бианизотропного оптического отклика. При этом бианизотропные свойства выражены значительно слабее, чем анизотропные. Для выявления роли подложки выполнен сравнительный анализ бианизотропного оптического отклика диэлектрических дисковых частиц в условиях однородного окружения, диэлектрической, и зеркальной подложки. В случае диэлектрической подложки установлено, что наличие прозрачной подложки не приводит к исчезновению бианизотропного отклика диэлектрической частицы. При этом свойства бианизотропии в присутствии подложки сохраняют все особенности бианизотропии частицы в свободном пространстве. Наличие зеркальной подложки усиливает продольный бианизотропный эффект, приводя к синему смещению его резонанса. Увеличение продольной бианизотропии сопровождается ростом ближних полей в системе. С увеличением расстояния от частицы до подложки бианизотропия уменьшается, приближаясь к своему значению в однородном пространстве. При изучении влияния подложки на возбуждение запертых мод в метаповерхностях были рассмотрены дисковые частицы из дисульфида молибдена, характеризуемого высоким анизотропным показателем преломления. Для получения бианизотропного отклика в метаповерхности считалось, что каждый диск имеет сквозное отверстие смещенное от его центра. Для получения резонанса квази-запертой моды в заданном спектральном участке была выполнена операция численной оптимизации размера частиц и настройки периода метаповерхности. Исследование показало, что с увеличением показателя преломления подложки спектральное положение резонансов квази-запертых мод сдвигается в красную сторону с изменением их добротности. Анализ ближних полей в условиях резонанса показал, что сильные магнитные поля концентрируются в отверстиях дисков, а электрические поля в их ближнем окружении. Анализ чувствительности спектрального положения резонансов квази-запертых мод к показателю преломления окружения показал их высокую практичность для сенсорных применений. На примере тримерных кластеров (блоков) диэлектрических дисковых частиц было установлено, что увеличение ближних полей в метаповерхностях, составленных из таких блоков, может быть получено при условии возбуждения в них анаполного состояния. Для оценки влияния квантовых объектов на развитие кооперативных оптических эффектов в неоднородных структурах была построена модель квантовых точек (КТ), загруженных в центр плазмонного волновода, состоящего из двух листов графена. В этой модели КТ использовались для накачки поверхностных плазмон поляритонов (ППП). На основе составленной модели было проведено численное моделирование распространения ППП в присутствии и в отсутствие Ag2Se КТ в гибридном графеново-золотом волноводе. Было установлено, что можно использовать длину волны ППП, непосредственно получаемую из дисперсионного уравнения для пустого волновода, для определения расстояния между КТ, чтобы настроить систему на требуемый тип интерференции. В дальнейшем, такой подход будет использоваться для наблюдения коллективных эффектов и квази-запертых мод в метаповерхностях на основе квантовых точек и диэлектрических наночастиц. На основе модели КТ в системах с ППП было также продемонстрировано, что усиление и концентрация энергии ближнего поля, локализованной в комбинированной системе из метаповерхности с квантовыми точками и графеновых слоев в виде плазмонного волновода могут быть реализованы за счет синхронизации откликов КТ, которая достигается изменением периода массива КТ и подстройкой дополнительного напряжения, приложенного к графену. Основные экспериментальные результаты сводятся к следующему. Были освоены и применены экспериментальные методы создания отдельных частиц и метаповерхностей. Для получения образцов использовались кремниевые пленки, нанесённые на прозрачную стеклянную подложку. Литографическими методами на основе данных пленок были получены массивы наночастиц с различным размером, формой и периодом. Были разработаны несколько дизайнов метаповерхностей, в частности, состоящих из отдельных кубоидов, включая варианты без дефекта и содержащие вырез на одном из ребер кубоида в виде определённого сектора. Дополнительный дизайн был разработан для создания метаповерхностей на основе кремниевых дисков со сквозным отверстием. Анализ качества сформированных метаповерхнстей показал его высокий уровень. Отдельные наночастицы в виде кубоидов и кубоидов с вырезом отличались высокой повторяемостью фактора формы. При изготовлении были апробированы варианты получения метаповерхностей как из чистого кремния, так и с металлизацией наночастиц тонкой металлической пленкой. Для интегрирования полупроводниковых коллоидных квантовых точек с метаповерхностью был выбран метод центрифугирования. По результатам предварительных экспериментов была отработана методика нанесении коллоидных квантовых точек PbS на нано-структурированную метаповерхность. Чтобы получить оптимальное качество нанесения квантовых точек были проведены исследования с целью определения оптимальных параметров центрифугирования, с целью исключить влияние скорости и времени вращения центрифуги на свойства полученных систем. В дальнейшем предполагается, что оптимальные параметры центрифугирования во всех случаях будут оставаться неизменными для всех последующих экспериментов. Показано, что при нанесении и распределении наночастиц по поверхности нано-структурированной метаповерхности вследствие воздействия капиллярных и иных сил происходит распад более крупных частиц с последующим отбором более мелких, что ожидаемо должно приводить к изменению их люминесцентного отклика. Анализ оптических свойств составленных из кремниевых кубоидов на стеклянной подложке метаповерхностей осуществлялась на спектрофотометре в частотном диапазоне 450–1250 нм при возбуждении образцов широкополосной кварцевой лампой. Метаповерхности облучались как неполяризованными нормально падающими волнами, так и с использованием поляризаторов. Отраженный от метаповерхности сигнал детектировался как в отсутствии анализаторов, так и при их наличии. Экспериментально было установлено, что метаповерхности, составленные из кубоидов с дефектом, обладают свойствами поляризатора для падающего на него света. Измерение спектров отражение продемонстрировало их резонансный характер, связанный с возбуждением дипольных резонансов частиц метаповерхности. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическим и численным моделированием показало их адекватную согласованность.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На третьем году реализации проекта, в соответствии с предложенным планом, исследования проходили по нескольким направлениям. Все задачи были рассмотрены, и получены соответствующие результаты. Основные теоретические результаты сводятся к следующему. Теоретически установлены условия для реализации поляризационного переключения между резонансными и нерезонансными состояниями анизотропных метаповерхностей. Выполнен анализ строительного блока в виде кремниевого диска со смещенным от центра отверстием, что приводит к возбуждению бианизотропных продольных компонент магнитного дипольного момента в диске при его облучении электромагнитной волной с вектором напряженности магнитного поля, ориентированным по направлению смещения отверстия. Выполнена настройка аспектных соотношений диска и отверстия, целью которой является (а) получение значений бианизотропной компоненты возбуждаемого диполя, близких к максимальным значениям в инфракрасной (ИК) области и (б) спектральное расположение резонансов неосновной бианизотропной компоненты диполя вдали от основных резонансов диска с отверстием. Это позволяет возбуждать уединенные, достаточно широкие для экспериментальной регистрации, резонансы коэффициента отражения составленной из таких дисков метаповерхности в режиме квазизапертой моды (КЗМ) на практически нулевом фоне. Была разработана стратегия решения обратной задачи по определению характеристик одиночного диска по заданной длине волны КЗМ в метаповерхности. Также, были получены общие соотношения между показателем преломления подложки, периодом метаповерхности и длиной воны КЗМ, при которых не происходит разрушения режима КЗМ из-за дифракции в подложку. Определены условия практического наблюдения резонансов КЗМ на диэлектрических подложках с разными показателями преломления. Установлено, что переключение поляризации падающей волны на ортогональную приводит к исчезновению бианизотропии требуемого вида и эффект КЗМ нарушается. На основе характеристик спроектированных кремниевых метаповерхностей были построены теоретические модели высокоградиентных ближних оптических полей, возникающих в системе метаповерхность/подложка, оценены их величины и направления в зависимости от параметров внешнего облучения. Определена интенсивность электрической компоненты ближнего поля в диске на длине волны КЗМ, которая превышает интенсивность падающей воны в 110 раз, при этом расчетное усиление интенсивности магнитного поля в рассматриваемой метаповерхности составляло уже около 1000. Оценка чувствительности резонанса КЗМ к внешнему окружению дала значения 150 нм/ед.п.п. (единиц показателя преломления). На основе разработанных моделей было установлено влияние ближнего оптического поля метаповерхности на люминесценцию квантовых точек (КТ), расположенных в области метаповерхности в условиях резонанса КЗМ. На основе изучения характеристик различных полупроводниковых материалов, подобраны оптимальные для наблюдения фотолюминесценции InSb КТ с диаметром 13 нм, возбуждаемые ближнеполевой накачкой КЗМ на длине волны 1450 нм. Было выполнено моделирование различных режимов функционирования кремниевой метаповерхности, загруженной InSb КТ в отсутствии и присутствии графена. При этом, изменение электрохимического потенциала графена над метаповерхностью позволяет модулировать узкий пик коэффициента отражения в режиме возбуждения КЗМ. Представлена функциональная схема оптического чипа для преобразования и усиления электромагнитной энергии на основе загруженной полупроводниковыми квантовыми точками метаповерхности с внешним управлением посредством напряжения, подаваемого на графеновый слой. Основные экспериментальные результаты сводятся к следующему. Выполнена экспериментальная верификация и демонстрация эффекта поляризационного переключения между резонансными и нерезонансными состояниями анизотропных метаповерхностей. Используя стратегию настройки параметров кремниевых дисков c отверстием, были разработаны 2 дизайна метаповерхностей на кварцевых подложках и методом электронно-лучевой литографии изготовлены 2 структуры с 6 метаповерхностями на каждой. Три метаповерхности из них с разными параметрами были выделены для полной характеризации. Для первых двух метаповерхностей резонанс КЗМ наблюдался на длинах волн, близких к телекоммуникационным. Для проверки наблюдения эффекта КЗМ в экспериментально изготовленных метаповерхностях, было проведено сравнение их спектров отражения с расчетными для разных типов поляризации падающей волны. Установлено, что при облучении расположенной на кварцевой подложке кремниевой метаповерхности волной с расчетным типом поляризации узкополосные спектральные резонансы возбуждаются в телекоммуникационном диапазоне вблизи предсказанных длин волн. Изменение поляризации падающей волны на ортогональную приводит к полному подавлению спектральной особенности резонанса КЗМ, как для экспериментальных, так и для численно рассчитанных кривых. Также были продемонстрированы экспериментальные метаповерхности для узкополосной поляризационной фильтрации оптического излучения и для поляризационного управления генерацией сильных электрических и магнитных полей в области метаповерхностей. С этой целью были изготовлены два типа различных метаповерхностей с разной геометрией строительных блоков. В частности, для узкополосной поляризационной фильтрации метаповерхность была выполнена из расположенных на кварцевой подложке кремниевых кубоидов с радиальным вырезом одного из ребер. Было обнаружено, что в спектрах рассеяния кубоида с дефектом появляются неосновные компоненты возбуждаемого диполя (электрического и магнитного), ориентированные перпендикулярно волновому вектору падающей волны, и лежащие вблизи длин волн для резонансов основных компонент. Установлена слабая зависимость положения резонансов неосновных компонент для кубоида из состава метаповерхности от ее периода и достаточно точное соответствие их длин волн длинам волн резонансов для одиночного кубоида. Предложена простая стратегия проектирования и изготовления поляризационных метаповерхностей. 1) Необходимо выбрать Si кубоид правильной формы, чтобы дипольные резонансы возбуждались на заданных длинах волн. 2) Необходимо внедрить в такой кубоид малый дефект и получить резонансный отклик неосновной дипольной компоненты на тех же самых длинах волн, что и для основных компонент. 3) Сборка кубоидов с дефектом в метаповерхность с периодом, позволяющим пренебречь коллективными эффектами между кубоидами, позволяет значительно усилить отклик неосновной компоненты и получить кросс-поляризационный эффект, – преобразование энергии падающей волны в ортогональную компоненту рассеянного света. Сравнение измеренных спектров отражения для созданных метаповерхностей с численно рассчитанным показало их хорошее согласие. Установлено, что когда метаповерхность, состоящая из кубоидов с дефектами, облучается линейно поляризованной волной, в спектрах отражения наблюдается кросс-поляризационная компонента. При этом, резонанс на 680 нм связан с возбуждением неосновной компоненты магнитного, а на 800 нм – электрического диполя. Второй тип экспериментально созданных метаповерхностей на основе кремниевых дисков со смещенным отверстием использовался для демонстрации поляризационного управления генерацией сильных электрических и магнитных полей в режиме КЗМ, возбуждаемой на длине волны 1239 нм. Были экспериментально измерены и численно рассчитаны угловые зависимости коэффициента отражения метаповерхности. В результате поворота плоскости поляризации от 0 до 90 градусов коэффициент отражения плавно изменялся от 73% до 2%. При этом, экспериментально измеренные спектры хорошо согласуются с расчетными, а экспериментально измеренные на длине волны возбуждения КЗМ значения коэффициента отражения хорошо совпадают с рассчитанной поляризационной зависимостью коэффициента отражения.