Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Выполнены теоретические исследования по управлению характеристиками диэлектрических наноантенн, в которых рассеяние света контролируется многополярными резонансами Ми и резонансными интерференционными эффектами (Фано резонансами, резонансами Керкера и проч.) Дан анализ широкого спектра новых резонансных эффектов, обусловленных интерференцией между электрическими и магнитными мультиполями. Анализ процессов резонансного мультипольного возбуждения диэлектрических частиц и интерференционных явлений является необходимым составным элементом проектирования резонансных диэлектрических метаустройств. Обзор этих исследований представлен в форме главы монографии: R. Paniagua-Dominguez, B. Luk'yanchuk, A.I. Kuznetsov, “Control of scattering by isolated dielectric nanoantennas”, Chapter 3 in “Dielectric Metamaterials: Fundamentals, Designs, and Applications”, pp. 73-108 (Elsevier, Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, 2020). С позиций волновой теории рассмотрена задача формирования оптического изображения, создаваемого виртуально сходящейся электромагнитной волной от источника света. Решена задача дифракции точечного источника на диэлектрической сфере. Получены формулы, описывающие мнимое изображение точечного источника в диэлектрической сфере, в области параметров, где неприменимо приближение геометрической оптики. Для щелей в непрозрачном экране мнимое изображение в диэлектрической сфере позволяет разрешать щели, отстоящие друг от друга на расстояниях, значительно меньших дифракционного предела λ/2. Это объясняет ранее полученные экспериментальные результаты по эффекту супер разрешения в мнимом изображении (Nat. Commun. 2, 1 (2011)). Результаты исследования опубликованы в работе: А. Р. Бекиров, Б. С. Лукьянчук, А. А. Федянин, «Мнимое изображение в прозрачной диэлектрической сфере», Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 6, сс. 361 – 366 (2020). Многочисленные оптические эффекты в диэлектрических структурах с высоким показателем преломления связаны с так называемой тороидальной электродинамикой. Среди этих эффектов - анаполи, безызлучательные состояния, обусловленные интерференционными явлениями, например, между электрическим диполем и тороидальной дипольной модой. Для сферической частицы можно достичь одновременной деструктивной интерференции. для электрических, магнитных и соответствующих тороидальных дипольных мод (так называемая гибридная анапольная мода), изменяя показатель преломления и размер частиц. Однако в сферической геометрии недостаточно степеней свободы для осуществления эффекта гибридной анапольной моды на случай более высоких мультиполей. В силу оптической теоремы также невозможно создать идеальный анаполь с деструктивной интерференцией для всех мультиполей при облучении частицы плоской электромагнитной волной. В принципе возможно подавить радиационные потери лишь для конечного числа мультиполей, построив наноантенну со сложной геометрией. В нашей работе по возбуждению гибридного анапольного состояния мы демонстрируем для эллипсоидной диэлектрической частицы подавление как электрического, так и магнитного рассеяния вплоть до квадрупольных мод. Такой эффект достигается за счет оптимизированной геометрии эллипсоидальной частица. Кроме того, мы предлагаем классификацию новых анаполей, возникающих из-за взаимодействия между моментами электрического, магнитного и тороидального семейства и вводим обобщенные анаполи для взаимодействия между моментами высокого порядка. Наша концепция полезна для проектирования устройств управления светом, безотражательных метаповерхностей, открытых резонаторов с высокой добротностью и структур из нерассеивающих частиц. Работа опубликована как приглашенная в журнале: A. K. Ospanova, A. Basharin, A. E. Miroshnichenko, B. Luk’yanchuk, «Generalized hybrid anapole modes in all-dielectric ellipsoid particle» [Invited], Optical Material Express, Vol. 10, No. 12, 414340 (2020). Pазработана схема экспериментальной установки для визуализации структуры поверхности материалов и биологических объектов. на базе сканирующего зондового микроскопа и микролинзовой наноскопии. Предполагается, что данная установка позволит проводить: 1) оптические наблюдения с разрешением вплоть до 40-50 нм и временным интервалом в доли миллисекунды с помощью микролинзовой микроскопии; 2) регистрацию топографии биологических объектов и их характерного движения в жидкости и на воздухе с разрешением в доли нанометра с временным разрешением на уровне долей миллисекунды с помощью атомно-силовой микроскопии; 3) локальное воздействие химическими реагентами в области нанометрового размера с контролем дозы препарата с помощью сканирующей капиллярной микроскопии, при этом объем доставляемой дозы может доходить до уровня 10-15 микролитра и менее; 4) наблюдение за прохождением электрических сигналов по поверхности образца с помощью сканирующей резистивной микроскопии. В настоящее время идет отработка схемы интеграции микролинз совмещенных с проточным жидкостным каналом для наблюдения вирусных частиц в буферном растворе. В ходе работ пришлось преодолевать множество технических проблем. Эти работы отражены в публикациях: А. И. Ахметова, И. В. Яминский, З. Ван, «Интеграция методов сканирующей зондовой микроскопии и матричной технологии оптических суперлинз», Наноиндустрия, Т. 13, № 5 (98), С. 258–262 (2020). А. И. Ахметова, И. В. Яминский, «Зондовая микроскопия в исследовании изменений роста, подвижности, метаболизма и секреции раковых клеток», Наноиндустрия, Т. 13, № 5 (98), С. 298–302 (2020). И.В. Яминский, А.И. Ахметова, «Кантилеверные сенсоры для обнаружения биологических агентов», Медицина и высокие технологии, № 2, С. 5–8 (2020). И. В. Яминский, И. В. Ахметова, «Сканирующая капиллярная микроскопия: перспективные методы и решения», Медицина и высокие технологии, № 2. С. 22–25 (2020). Ахметова А.И., Гукасов В.М., Рыбаков Ю.Л., Яминский И.В., «Быстродействующая сканирующая зондовая микроскопия в биомедицине», Медицинская техника, 2020, принята в печать. Assel I. Akhmetova, Igor V. Yaminsky, «High resolution imaging of viruses: scanning probe microscopy and related techniques. Methods», Отправлена в редакцию. Приглашение редакции: https://www.journals.elsevier.com/methods Рассмотрена принципиальная схема визуализации наноскопических объектов на базе лазерного проекционного микроскопа, совмещенного с наноскопом мнимого изображения в диэлектрической частице. В настоящее время идет отладка лазерного проекционного микроскопа.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Ospanova A. K., Basharin A., Miroshnichenko A. E., Luk'yanchuk B., «Generalized hybrid anapole modes in all-dielectric ellipsoid particles [Invited]‎», Optical Materials Express, Vol. 11, Issue: 1‏, pp. 23-34 (2021). Многочисленные захватывающие оптические эффекты в полностью диэлектрических структурах с высоким показателем преломления связаны с так называемой тороидальной электродинамикой. Среди этих эффектов - анаполи, необлученные состояния, вызванные интерференционными явлениями, например, между электрическими дипольными и тороидальными дипольными модами. Для сферической частицы можно достичь одновременной деструктивной интерференции для электрических, магнитных и соответствующих тороидальных дипольных мод (так называемая гибридная анапольная мода) путем изменения показателя преломления и / или размера частицы. Однако в сферической геометрии нет достаточных степеней свободы, чтобы распространить эффект гибридной анапольной моды на более высокие мультиполи. По оптической теореме также невозможно создать идеальный анаполь с деструктивной интерференцией для всех мультиполей при освещении плоскими волнами. В принципе, подавить радиационные потери для конечного числа мультиполей можно, только построив наноантенну сложной геометрии. Наш подход к возбуждению гибридного анапольного состояния мы демонстрируем в эллипсоидальных полностью диэлектрических частицах, обеспечивающих подавление как электрического, так и магнитного рассеяния вплоть до квадрупольных мод. Этот эффект достигается за счет оптимизированной геометрии эллипсоидальной частицы. Кроме того, мы предоставляем классификацию новых анаполей, возникающих из-за интерференции между моментами и их среднеквадратичными радиусами (MSR) из семейства электрических, магнитных и тороидальных, и вводим обобщенные анаполи для взаимодействия между моментами высокого порядка. Наша концепция полезна для проектирования устройств управления светом, неотражающих метаповерхностей, открытых резонаторов с высокой добротностью и разработки нерассеивающих частиц. 2. Ospanova A. K., Basharin A., Miroshnichenko A. E., Luk'yanchuk B., “All-dielectric ellipsoid for hybrid anapole observation”, Proc. SPIE 11769, Metamaterials XIII, 117690R (2021); Doi: 10.1117/12.2588540 Мы исследуем полностью диэлектрическую сплюснутую эллипсоидную частицу на диэлектрической подложке для демонстрации гибридной анапольной моды. Мы обнаружили, что такая частица может поддерживать электрические и магнитные анапольные моды первого и второго порядка, рассеяние которых полностью подавлено. Мы демонстрируем рассеивающие свойства диэлектрической эллипсоидной частицы с высоким показателем преломления и обеспечиваем мультипольное разложение по минимуму рассеяния. 3. Bekirov A. R., Luk’yanchuk B. S., Wang Z. B., Fedyanin A. A., “Wave theory of virtual image [Invited]”, Optical Material Express, Vol. 11, Issue: 11, pp. 3646-55 (2021). Эффект сверхвысокого разрешения с мнимым изображением был открыт около десяти лет назад с использованием прозрачных сферических диэлектрических частиц микронного размера. Однако в диапазоне соответствующих размерных параметров простое приближение геометрической оптики не работает. Для правильного описания виртуального изображения нужна волновая теория. Мы разработали новый теоретический метод, основанный на волновой теории формирования мнимого изображения в прозрачной диэлектрической сфере, и обсудили несколько необычных эффектов, возникающих в рамках волновой теории. 4. Minin I.V., Minin O.V., Cao Y., Yan B., Wang Z.B., Luk'yanchuk B., “Photonic lenses with whispering gallery waves at Janus particles”, Opto-Electronic Science, (2021), accepted, arXiv 2012.09489. Мы показываем, что электрическое поле на плоской поверхности усеченной сферы или цилиндров (так называемых Янус частиц) имеет резкие резонансы в зависимости от толщины удаленного сегмента сферы или цилиндра. Эти резонансы связаны с возбуждением волн шепчущей галереи, вызванных усечением. Это новый механизм локализации поля. Оптимизация этого эффекта для цилиндров позволяет достичь сверхвысокого разрешения по толщине линии, что можно использовать для контактной оптической литографии. 5. Bukharin M.M., Pecherkin V.Y., Ospanova A.K., Il’in V.B., Vasilyak L.M., Basharin A. A., Luk’yanchuk B., “Transverse Kerker Effect in All-Dielectric Spheroidal Particles”, Scientific Reports 10, 21203 (2021), doi.org/10.21203/rs.3.rs-947900/v1 Эффект Керкера – представляет собой одно из уникальных явлений современной электродинамики. Из-за перекрытия электрического и магнитного дипольных резонансов полностью диэлектрические частицы могут быть невидимы в прямом или обратном направлении. В нашей статье мы предлагаем новые условия между резонансно возбужденным электрическим диполем и магнитным квадруполем в керамической сфероидной частице с высоким коэффициентом преломления для демонстрации поперечного эффекта Керкера. Кроме того, мы проводим экспериментальный микроволновый эксперимент и демонстрируем диаграмму направленности гантелей с подавленным рассеянием как в прямом, так и в обратном направлении и усиленным рассеянием в боковом направлении. Наша концепция является многообещающей для будущих планарных лазеров, неотражающих метаповерхностей, волноводов и наноантенн с боковым возбуждением. 6. B. Luk`yanchuk, L.M. Vasilyak, V.Ya. Pecherkin, S.P. Vetchinin, V.E. Fortov, Z.B. Wang, R. Paniagua-Domínguez, A.A. Fedyanin, “Colossal magnetic fields in high refractive index materials at microwave frequencies”, Scientific Reports 11, 23453 (2021), doi.org/10.1038/s41598-021-01644-1 Резонансное рассеяние электромагнитных волн - широко изучаемое явление с широким спектром приложений, которые охватывают совершенно разные области, от астрономии или метеорологии до спектроскопии и оптических схем. Несмотря на то, что они являются предметом интенсивных исследований в течение многих десятилетий, новые фундаментальные аспекты все еще открываются в связи с развивающимися областями, такими как метаматериалы и метаповерхности или квантовая и топологическая оптика, чтобы упомянуть некоторые. В этой работе мы демонстрируем еще одно новое явление, возникающее в рассеянном ближнем поле объектов среднего размера, состоящих из материалов с высоким показателем преломления, которое позволяет генерировать колоссальные локальные магнитные поля. В частности, мы показываем, что излучение ГГц, освещающее керамическую сферу с высоким показателем преломления, мгновенно создает магнитные ближние поля, сопоставимые с таковыми у нейтронных звезд, открывая новую парадигму для создания гигантских магнитных полей миллиметрового масштаба. 7. Wang Z. B., Boris Luk’yanchuk B., Wu L., “Roadmap for label-free imaging with microsphere superlens and metamaterial solid immersion lens”, arXiv:2108.09153, (2021), to be published in Laser & Photonics Reviews. В 2011 году визуализация сверхвысокого разрешения суперлинзой из микросферы стала простым, но эффективным методом преодоления дифракционного предела, ограничивающего разрешение обычных линз. С тех пор был достигнут значительный прогресс. Будут обсуждены ключевые достижения, включая разработку сканирующей системы суперлинз, иммерсионных линз на основе метаматериалов (mSIL), физика сверхвысокого разрешения и био суперлинзы. Затем обсуждаются проблемы и решения. Для более подробного обзора техники и других применений суперлинз в интерферометрии, эндоскопии и др., пожалуйста, обратитесь к ссылкам.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Нами проведены исследования по наноскопии с помощью прозрачных диэлектрических частиц с размером в несколько микрометров. Как было впервые обнаружено в нашей работе (см. Wang Z.B., et al, «Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white light nanoscope», Nature Communications, Vol. 2, 218 (2011)) мнимое изображение в таких линзах позволяет преодолевать дифракционный предел и различать объекты с размером 50 нм в обычный микроскоп, нормальная разрешающая способность которого составляет 250 нм. Эти исследования вызвали большой интерес, см., например, Jason Palmer, Science and Technology Reporter, BBC News, Microscope with 50-nanometre resolution demonstrated, BBC News, 1 March 2011, статью в New York Times, Breaking News – New nanoscope sees objects smaller than, ever, 5 March 2011 и еще десяток статей в различных информационных источниках. На эту статью дано более 750 ссылок. За десять лет исследований эффект преодоления дифракционного предела в мнимом изображении с помощью линз микронного размера был подтвержден в работах десятка научных групп (см. «Label-Free Super-resolution Microscopy», Springer, 2019). Однако физическая природа данного эффекта еще до конца не понята. Несколько механизмов, позволяющих получать сверх-разрешения было предложено в литературе. Обзор этих исследований дан в нашей работе в Physics of Wave Phenomena 30, No. 5, pp. 283–297 (2022).