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 20-72-00016
НазваниеЭффекты маскировки (клокинга) на основе сложных анапольных взаимодействий
РуководительОспанова Анар Калыбековна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2020 - 06.2022 |
Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика
Ключевые словамультипольное взаимодействие, анаполь, клокинг, устройство маскировки, эффективная площадь рассеяния
Код ГРНТИ29.19.22, 29.19.33
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В описании электродинамических эффектов мультипольных взаимодействий в метаматериалах и мета-частицах используется метод мультипольного разложения, который представляет собой разложение излучаемых/рассеянных мета-частицами электромагнитных полей по осциллирующим зарядам и токам, соответствующим мультипольным возбуждениям электрического и магнитного типа. Наряду с мультиполями тороидного типа, мультипольное разложение ближних полей источников эффективно описывает возникающие неизлучающие состояния, такие как анапольная мода (интерференция электрического и тороидного диполей), Фано-резонанс, электромагнитно-индуцированная прозрачность, условия Керкера и другие. Мультипольное разложение полей в ближнем поле источника успешно применяется в нанофотонике для исследования задач направленных источников излучения, контроля света, создания наноантенн, устройств маскировки и сенсоров, тем самым свидетельствует о новых возможностях контроля света в наноразмерных структурах. Однако, помимо классических моментов электрического, магнитного типов и тороидного, существуют моменты среднеквадратических радиусов электрического, магнитного и тороидного типа, которые возникают в супертороидных конфигурациях и высокоиндексных диэлектрических частицах, которым не уделено должное внимание, в результате сложности возбуждения таких структур, проблем фабрикации и отсутствии информации о токовых конфигуряциях в мета-частицах.
В рамках данного проекта будут решаться теоретические вопросы мультипольного взаимодействия среднеквадратичных радиусов в проводящих мета-частицах, обладающих конфигурацией тороидной и супертороидной топологии, построения анаполей на основе таких конфигураций и экспериментального исследования гибридного анапольного состояния и реализации устройств маскировки (клокинга) в микроволновом диапазоне частот.
Актуальность проекта заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании мультиполей более высокого порядка, таких как моменты среднеквадратических радиусов, а также неизлучающих состояний вследствие их взаимодействия с известными мультиполями электрического, магнитного и тороидного типа, таких как гибридная анапольная мода, эффект маскировки (клокинга), захваченные моды (trapped mode). Кроме того, актуален вопрос создания устройств маскировки, полное погашение рассеянных электромагнитных полей которых достигается с помощью установления гибридной анапольной моды, подразумевающей деструктивную интерференцию как электрических, так и магнитных рассеянных полей.
Научная проблема заключается в исследовании и получении новых неизлучающих состояний в устройствах маскировки в результате установления анапольных мод нового типа. В процессе реализации проекта будут проведены теоретическсие исследования мультипольных взаимодействий высокого порядка, а также созданы экспериментальные образцы устройств маскировки за счет установления гибридной анапольной моды на основе супертороидных конфигураций.
Кроме того, научная значимость проекта заключается в необходимости построения единой теории неизлучающих источников с учетом всех возможных неизлучающих состояний с точки зрения мультипольного взаимодействия. Подобная детальная классификация мультипольных взаимодействий дает возможность более детально характеризовать источники с точки зрения возникающих в них зарядов и токов, тем самым исключая вероятность ошибочной характеристики состояния системы.
Ожидаемые результаты
В результате проведенных исследований будут теоретически рассмотрены и детально исследованы безызлучательные конфигурации с точки зрения мультипольного взаимодействия c применением электрического, магнитного, тороидного мультиполей (квадрополей, октуполей и других), а также с учетом моментов среднеквадратических радиусов электрического, магнитного и тороидного типов. Будут исследованы такие интерференционные эффекты, как условие Керкера, Фано-резонансы, запертые моды и анапольные состояния нового типа, возбуждаемые за счет взаимодействия мультиполей электрического, магнитного, тороидного типа с моментами среднеквадратических радиусов.
Ожидаемые результаты:
I этап (2020-2021):
1. Результаты аналитического исследования интерференционных взаимодействий мультиполей (электрического, магнитного и тороидного типа) разных порядков, приводящие к установлению Фано-резонансов, запертых мод и условий Керкера в супертороидных проводящих конфигурациях.
2. Результаты исследования безызлучательных конфигураций анаполей при взаимодействии стандартных мультиполей и моментов среднеквадратических радиусов в супертороидных проводящих конфигурациях.
3. Результаты исследования характеристик излучения/рассеяния, распределения ближних электромагнитных полей устройств клокинга мета-частиц с маскируемыми проводящими объектами, покрытыми маскирующим покрытием из тороидальных и супер-тороидальных проводящих включений.
4. Результаты экспериментального исследования ближних полей устройств маскировки с целью исследования распределение поля моментов среднеквадратических радиусов.
5. Результаты исследования ближних полей и токов мета-частиц в области частот минимального рассеяния структур супертороидной конфигурации.
6. Разработка процессов фабрикации мета-частиц с проводящими включениями супертороидной конфигурации.
7. Подготовлены 2 статьи по результатам исследования.
8. Выступление на 1 международной высокорейтинговой конференции.
II этап (2021-2022):
1. Модели маскирующих мета-частиц, обладающих среднеквадратическими радиусами в микроволновом диапазоне частот.
2. Образцы планарных метаповерхностей и мета-частиц с металлическими включениями супертороидных конфигураций для реализации эффекта маскировки (клокинга) в микроволновом диапазоне частот.
3. Результаты исследования спектров рассеяния микроволновых образцов метаповерхностей, обладающих моментами среднеквадратических радиусов.
4. Результаты исследования распределения ближних полей микроволновых метаповерхностей с целью визуализации распределения полей моментов среднеквадратических радиусов.
5. Публикация 1 статьи по теме исследования.
6. Выступление на 1 международной высокорейтинговой конференции.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Были исследованы теоретические модели взаимодействия мультиполей электрического, магнитного и тороидного типа и моментов среднеквадратичных радиусов в супертороидных конфигурациях. Были определены основные виды их взаимодействий, на их основе выявлены новые виды гибридных анапольных взаимодействий,[Anar K. Ospanova, Alexey Basharin, Andrey E. Miroshnichenko, And Boris Luk’yanchuk, Generalized hybrid anapole modes in all-dielectric ellipsoid particles. Optical Materials Express 11, 1, 2021].
2. Были исследованы анапольные моды, возникающие в результате взаимодействия между мультиполями разного порядка, в том числе моментами среднеквадратических радиусов. В качестве примера была приведена модель субволновой частицы эллипсоидальной формы и были исследованы их электродинамические характеристики. Результаты теоретического анализа показали, что возникающее безызлучательное состояние является следствием установления гибридной анапольной моды первого и второго порядка. Так называемая гибридная анапольная мода возникает в том числе за счет интерференции магнитного диполя с моментом среднеквадратичного радиуса тороидного типа.
3. Были исследованы зависимости анапольных мод от параметров частицы (высота, радиус, материал подложки), были установлены каналы воздействия на анаполи первого и второго порядка. На примере эллипсоидной метачастицы были исследованы зависимости интенсивностей интерферирующих мультиполей от параметров частицы.
4. Был исследован метод фабрикации тороидных включений для терагерцовых приложений. Были изготовлены образцы пленок ниобия, напыленные методом магнетронного напыления пленок ниобия толщиной 100 нм на подложке монокристаллического кремния (001).
5. Была предложена и исследована модель супертороидной метачастицы для исследования мультиполей высшего порядка, а также возбуждения безызлучательного состояния за счет анапольной моды. Исследование данной модели имеет двустороннее значение. Во-первых, такая супертороидная конфигурация позволяет возбудить тороидный момент среднеквадратичного радиуса, являющегося мультиполем высшего порядка, ненаблюдаемым в конфигурациях другого типа. Очевидно, в такой системе также растет интенсивность тороидного дипольного момента, что говорит о возможном возбуждении анапольной моды.
6. Было проведено теоретическое исследование метачастицы из проводящих металлических включений тороидной формы микронных размеров. Были теоретически исследованы коэффициенты прохождения и распределение ближних полей структуры. Был проведен мультипольный анализ исследуемого диапазона, обнаружено новое анапольное состояние - "Псевдо-анаполь" в ТГц диапазоне частот.
Публикации
1. Anar K. Ospanova, Alexey Basharin, Andrey E. Miroshnichenko, and Boris Luk’yanchuk Generalized hybrid anapole modes in all-dielectric ellipsoid particles [Invited] Optical Materials Express, Vol. 11, Issue 1, pp. 23-34 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/OME.414340
2. Кожокарь М., Оспанова А. К., Чичков В. И., Мигель Наварро-Чиа, Городецкий А., Башарин А. А. Pseudo-anapole regime in planar terahertz metamaterials Physical Review B, - (год публикации - 2021)
3. Оспанова А. К., Башарин А. А., Мирошниченко А. Е., Лукьянчук Б. С. All-dielectric ellipsoid for hybrid anapole observation Proc. SPIE 11769, Metamaterials XIII, 117690R (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1117/12.2588540
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Разработка моделей образцов метаповерхностей и маскировочных мета-частиц
Были получены модели и экспериментальные образцы метаповерхностей на основе гибридной металл-диэлектрической метаповерхности, ячейки которой состоят из двух металлических ниобиевых инвертированных букв “Э”, нанесенных на подложку из высокопроводящего кремния. С помощью метода мультипольного разложения выявлен псевдо-анапольный вклад в характеристики прохождения в ТГц диапазоне частот. Кроме низших мультиполей электрического, магнитного типа и их квадрополей, мультипольная декомпозиция расширена такими членами, как среднеквадратичные радиусы магнитного и тороидального типа и исследована мультипольная интерференция между мультиполями. С помощью масштабирования было показано независимость управления тороидальным и электрическим дипольными моментами метаповерхности, что подтверждает их различное физическое происхождение. Выявлено повышенное резонансное излучение момента магнитного среднеквадратического радиуса. Продемонстрированы спектральные характеристики метаповерхности в диапазоне чатот от100 ГГц до 1 ТГц.
2. Была разработана методика разработки образцов металло-диэлектрических метаповерхностей, на основе метода магнетронного напыления на подложку монокристаллического кремния пленок ниобия и метода оптической фотолитографии.
3. Исследование характеристик рассеяния микроволновых образцов, обладающих среднеквадратическими радиусами.
Будут проведены исследования характеристик рассеяния супертороидных конфигураций в безэховой камере в диапазоне частот от 1 до 15 ГГц с помощью векторного анализатора цепей и рупорных антенн. Фундаментальные результаты экспериментов должны подтвердить предположение об идентичности диаграмм рассеяния объектов обладающих среднеквадратичными радиусами и обычных диполей. При этом в пункте 4 будет показана принципиальная разница в их ближних полях.
Была предложена и исследована модель проводящей метачастицы из тороидных включений и электрического диполя, на основе круглых разорванных резонаторов, которая позволяет возбудить тороидный среднеквадратический радиус.
4. Исследование распределений ближних полей микроволновых мета-частиц с целью визуализации распределения полей среднеквадратических радиусов.
Были выявлены разнонаправленные магнитные полямя сквозь кольца и на внешней поверхности тороида, образованного кольцами, что подтверждает наличие тороидного среднеквадратичного радиуса в системе.
5. Исследование модифицированных дипольных моментов.
Были разработаны теоретические модели модифицированных дипольных моментов, которые учитывают ассиметрию, деформацию и разрыв, а также сдвиг относительно центра координат реальных источников. Получены аналитические формулы для дипольных моментов.
6. Исследование рассеяния электромагнитной волны сфероидальными частицами из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью. Исследование продольного - гантелеобразного эффекта Керкера
Разработана модель, создан образец сфероидальной диэлектрической частицы, которая демонстрирует поперечный эффект Керкера в СВЧ диапазоне частот.
Разработаны формулы для условия поперечного эффекта Керкера, выполнены эксперименты, получены диаграммы рассеяния, спектры рассеяния в СВЧ диапазоне частот.
7.Была приняты к печати 2 статьи в журналах Phys. Rev. B и Scientific Reports. Q1.
8. Доклад результатов исследования на 1 международной конференции
Публикации
1. Мария В. Кожокарь, Анар К. Оспанова, Владимир И. Чичков, Мигель Наварро-Чиа, Андрей Городецкий, Алексей А. Башарин Pseudo-anapole regime in terahertz metasurfaces Physical Review B, 104, 075408 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.075408
2. Мария В. Кожокарь, Анар К. Оспанова, Владимир И. Чичков, Мигель Наварро-Чиа, Андрей Городецкий, Алексей А. Башарин Pseudo-Anapole Mode Establishment in Planar THz Metamaterial 2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), 385-385 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/ICEAA52647.2021.9539674
3. Михаил М. Бухарин, Владимир Я. Печеркин, Анар К. Оспанова, Владимир Б. Ильин, Леонид М. Василяк, Алексей А. Башарин, Борис С. Лукьянчук Transverse Kerker Effect in All-Dielectric Spheroidal Particles Scientific Reports, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-947900/v1
Возможность практического использования результатов
не указано