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 21-72-00051
НазваниеКиральные моды оптических резонаторов и селективное взаимодействие с киральными энантиомерами
РуководительБаранов Денис Григорьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2021 - 06.2023 |
Конкурс№60 - Конкурс 2021 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, 02-301 - Физическая оптика
Ключевые словаНанофотоника, киральность, оптические резонаторы, киральные энантиомеры, поляритоны
Код ГРНТИ29.31.27
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Геометрическая киральность (хиральность) - универсальное явление, которое встречается в природе на различных масштабах, начиная от геометрических форм живых организмов, заканчивая молекулами белков и ДНК. Взаимодействие киральной материи с киральным светом - то есть электромагнитным полем, обладающим определенной круговой поляризацией - лежит в основе большого числа экспериментальных методов для различения противоположных энантиомеров киральных молекул. В свете данного обстоятельства, во многих ситуациях желательно иметь в распоряжении оптический резонатор, который мог бы эффективно взаимодействовать только с конкретным (правым или левым) молекулярным энантиомером, при этом не не взаимодействовать с противоположным.
Целью данного проекта является разработка и теоретическое исследование оптического резонатора, поддерживающего только собственную моду определённой киральности без присутствия мод с противоположной киральностью.
Мы ожидаем, что использование оптических наноструктур низкой симметрии позволит создание таких резонаторов, обладающих спектром киральных мод, и селективно взаимодействующих с выбранными молекулярными энантиомерами. Также в рамках выполнения проекта предполагается изучение возможности образования киральных поляритонов посредством взаимодействия киральных мод резонатора с киральными молекулами, и изучение влияния процесса сильной связи между резонатором и молекулой на квантово-механическое вакуумное состояние взаимодействующей структуры. Предлагаемая система расширяет набор инструментов для исследования киральных сред, и открывает путь к изучению киральных поляритонов и киральных состояний оптического вакуума.
Ожидаемые результаты
Ожидается, что планируемое исследование позволит получить значимые результаты как для фундаментальной науки, так и для технических приложений. Основным результатом Проекта станет демонстрация нового оптического явления - возбуждение киральной моды открытого резонатора, и селективное взаимодействие этой моды с энантиомерами определенной киральности. Одним из главных научных результатов проекта станут новые теоретические модели, описывающие формирование и возбуждение таких мод оптическим излучением, и взаимодействие таких мод с киральными средами. По результатам моделирования будут предложены оптимальные конфигурации и геометрия наноструктур, реализующих киральные резонаторы.
Предполагается, что уровень полученных результатов будет сопоставим с мировым, и в целом проект будет опережать аналогичные исследования в данной области, благодаря чему результаты проекта будут опубликованы в ведущих профильных научных журналах, таких как Nano Letters (импакт-фактор 12,080), ACS Photonics (5,823), Optics Express (3,356), Optics Letters (3,589) и др.) и представлены на ведущих профильных конференциях. По результатам исследования будет опубликовано не менее 3 статей в журналах с импакт-фактором не ниже 2.5. Предполагается, что в первый год проекта будет опубликована, по крайней мере, 1 статья. Во второй год - не менее 2 статей. Руководитель проекта ставит своей целью получение значимых научных результатов, которые могут быть опубликованы в ведущих периодических изданиях по профилю предлагаемых исследований. Предполагается патентование разработок, имеющих перспективы для коммерческой реализации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Взаимодействие света с киральными средами провидит к известному явлению кругового дихроизма - эффекта, который лежит в основе большого числа методов оптического различения молекулярных энантиомеров. Для усиления взаимодействия молекул с электромагнитным полем широко используются оптические резонаторы. В этом контексте, актуальной является задача о разработке класса оптических резонаторов, которые могли бы селективно взаимодействовать только с конкретным (правым или левым) молекулярным энантиомером, при этом не взаимодействуя с противоположным. Однако, на сегодняшний день не представлено подобных оптических структур. В данном проекте предлагается устранить этот пробел, и предложить модель оптических резонаторов, поддерживающих резонансные моды заданной киральности.
На первом этапе проекта были разработаны диэлектрические зеркала с необычным поляризационным откликом, сохраняющие хиральность отраженного света при падении по нормали для плоской волны правой закрутки, и в то же самое время пропускающего плоскую волну противоположной (левой) закрутки на той же длине волны. Используя геометрию оптимальных диэлектрических зеркал, были разработаны уникальные одномодовые хиральные резонаторы, поддерживающие резонансную моду одной заданной хиральности, в отсутствие моды противоположной хиральности, и исследовано поведение такого резонатор при возбуждении как плоской волной, так и точечным хиральным источником. Класс разрабатываемых киральных систем может стать платформой для исследования новой физики взаимодействия киральных молекул с киральным оптическим излучением, а также для разработки высокочувствительных сенсоров нового поколения для детектирования энантиомеров разнообразных биологических и лекарственных молекул, проявляющих свойство геометрической киральности.
Публикации
1. Воронин К., Тарадин А., Горкунов М., Баранов Д. Single-handedness chiral optical cavities ACS Photonics, - (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Взаимодействие света с киральными средами провидит к известному явлению кругового дихроизма - эффекта, который лежит в основе большого числа методов оптического различения молекулярных энантиомеров. Для усиления взаимодействия молекул с электромагнитным полем широко используются оптические резонаторы. В этом контексте, актуальной является задача о разработке класса оптических резонаторов, которые могли бы селективно взаимодействовать только с конкретным (правым или левым) молекулярным энантиомером, при этом не взаимодействуя с противоположным. Однако, на сегодняшний день не представлено подобных оптических структур.
На втором этапе проекта мы разработали аналитическую модель для системы ансамбля хиральных источников, взаимодействующих с хиральным резонатором, аналогично широко используемым моделям квантовой оптики Тэвиса-Каммингса и Хопфильда. Модель позволяет оценить спектр собственных мод хиральных поляритонных систем, обсудить возможные будущие направления развития и интересные приложения, такие как объяснение гомохиральности, и предоставить столь необходимую интуицию для развития новой процветающей области хиральной поляритоники. Модель показывает, что хиральную полость можно использовать для селективного взаимодействия с молекулами определенной хиральности и, таким образом, предоставляет средства для различения энантиомеров с помощью универсального набора инструментов поляритонной химии и квантовой электродинамики.
Публикации
1. Andrew B. Yankovich, Carlos Maciel Escudero, Battulga Munkhbat, Денис Баранов, Rainer Hillenbrand, Javier Aizpurua, Timur Shegai, Eva Olsson Exploring Mie Resonances, Anapole States, and Anapole-Exciton Polaritons in Nanopatterned TMD Materials Using STEM EELS Microsc. Microanal., vol. 28, p. 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1017/S143192762200784X
2. Christian Schafer, Денис Баранов Chiral Polaritonics: Analytical Solutions, Intuition, and Use J. Phys. Chem. Lett., J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 3777−3784 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c00286
3. К. Воронин, А. Тарадин, М. Горкунов, Д. Баранов Single-Handedness Chiral Optical Cavities ACS Photonics, Том 9, выпуск 8, стр 2652 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00134
4. А. Проскурин, А. Богданов, Д. Баранов Coherent perfect absorption by a single nanoparticle Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 12131, Nanophotonics IX, 121310P (24 May 2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2621039
Возможность практического использования результатов
не указано