Устойчивые к беспорядку диэлектрические материалы метафотоники

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 21-19-00677

НазваниеУстойчивые к беспорядку диэлектрические материалы метафотоники

Руководитель Рыбин Михаил Валерьевич, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Метаматериалы, беспорядок, устойчивость к беспорядку, метаповрехности, диэлектрическая фотоника, связанные состояния в континууме, квазикристаллы

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интенсивное развитие фотоники во многом определяет физику XXI века, что связано с перспективой замены электронов фотонами в вычислительных устройствах ближайшего будущего. Необходимость такой замены обусловлена тем, что полувековой экспоненциальный рост производительности электронных приборов достиг насыщения к 1998 году [Science 332, 60 (2011)] в связи с ростом омических потерь по мере увеличения тактовой частоты процессоров. Для использования фотонов в качестве основного носителя информации в вычислительных устройствах необходимо глубокое понимание оптических свойств фотонных сред – «полупроводников для света». Наличие случайных флуктуаций размеров и положения структурных элементов, возникающих при изготовлении реальных образцов, является серьезной проблемой на пути к внедрению новых фотонных материалов в нашу жизнь. Основная цель данного проекта заключается в изучении возможности создания фотонных элементов, оптические свойства которых оказываются устойчивыми к появлению структурного беспорядка. В конце 2019 года наш коллектив опубликовал работу [Phys. Rev. Lett. 123, 163901 (2019)], в которой сообщалось об открытии высокой устойчивости запрещенных зон фотонных структур в режиме метаматериала к такого рода беспорядку. В свете этого открытия важное значение приобретает концепция фотонных фазовых переходов, предложенная в работе [M.V. Rybin et al. Nature Communications 6, 10102 (2015)]. Было показано, что при рассмотрении свойств фотонных структур в пространстве «плотность элементов – их диэлектрическая проницаемость» существует область, в которой структура приобретает свойства метаматериала. Причем появления метаматериального режима происходит при достижении параметрами некоторого критического значения. Данный проект предполагает решение целого спектра научно-технических задач, включающего фундаментальное теоретическое исследование, численное моделирование реалистичных структур, изготовление образцов и экспериментальное подтверждение результатов, предсказанных теоретически. Постановка этих задач вытекает из выводов, сделанных в нашей работе [Phys. Rev. Lett. 123, 163901 (2019)]. В настоящем проекте выбраны три круга задач, связанных с фотонными структурами, поддерживающими устойчивый к беспорядку метаматериальный режим, то есть определенные резонансные оптические свойства. Во-первых, рассматриваются фундаментальные вопросы о появлении метаматериального режима в структурах, в которых трансляционная симметрия отсутствует. Кроме этого, рассматриваются метаповерхности, в которых изучаются два актуальных на сегодняшний день явления. Это возникновение высокодобротных резонансов (суперрезонансные моды [M.V. Rybin et al., Nature, 541, 164 (2017)]), обусловленных существованием так называемых связанных состояний в континууме [M.V. Rybin et al., Phys. Rev. Letters, 119, 243901 (2017)]. Среди различных механизмов возникновения таких состояний мы рассматриваем механизмы, определяемые метаматериальным режимом, который позволяет обеспечить высокодобротные резонансы, устойчивые к случайным флуктуациям по положению структурных элементов. Другой задачей проекта является изучение метаповерхностей с функцией управления проходящим пучком за счет модификации волнового фронта. Структурные элементы таких метаповерхностей имеют градиент фазы отклика на электромагнитную волну. Это приводит к тому, что прошедшая волна может быть преобразована в соответствии с поставленной задачей, что открывает широкие возможности для создания дефлекторов, линз, пластинок, формирующих вортексы, и других оптических элементов, созданных на плоской (субволновой) платформе. Такие устройства могут работать как в метаматериальном режиме, так и в режиме, при котором между соседними структурными элементами образуется коллективная мода. Задачей проекта является исследование условий, при которых такие метаповерхности оказываются устойчивыми к беспорядку. Научно-технические результаты, полученные в результате работ над проектом, будут играть важную роль для глубокого понимания фундаментальных принципов дизайна фотонных структур, устойчивых к беспорядку, а также будут полезны для реализации устройств метафотоники на практике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Семушев К.В., Рыбин М.В., Маслова Е.Э. Quasicrystal With Octagonal Symmetry IEEE Xplore, IEEE Xplore (Metamaterials Conference 2021), 254-256 (год публикации - 2021)
10.1109/Metamaterials52332.2021.9577070

2. Aditya Tripathi, Ha-Reem Kim, Тонкаев П., Soon-Jae Lee, Макаров С.В., Sergey S. Kruk, Рыбин М.В., Hong-Gyu Park, Кившарь Ю. Lasing action from anapole metasurfaces Nano Letters, Nano Letters, 21(15), 6563-6568 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.nanolett.1c01857

3. Кутузова А.А., Рыбин М.В. Transformation of guided modes into bound states in the continuum Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series, 2015, 012078 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012078

4. Маслова Е.Е., Богданов А.А., Рыбин М.В., Садриева З.Ф. Stability of bound states in the continuum in low-contrast photonic structures Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series, 2015, 012090 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012090

5. Маслова Е.Э., Рыбин М.В., Богданов А.А., Садриева З.Ф. Bound states in the continuum in periodic structures with structural disorder Nanophotonics, Nanophotonics (год публикации - 2021)
10.1515/nanoph-2021-0475

6. Е.Э. Маслова, А.А, Богданов, М.В. Рыбин, З.Ф. Садриева Influence of structural disorder on bound states in the continuum IEEE, pp. X-295 (год публикации - 2022)
10.1109/Metamaterials54993.2022.9920836

7. Юхтанов Н.Г., Рыбин М.В. High-index waveguides for propagation of electromagnetic waves with high transversal angular momentum St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, Vol. 16. No. 1.2 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.221

8. Кутузова А.А., Рыбин М.В. Quality factor scaling of resonances related to bound states in the continuum PHYSICAL REVIEW B, 107, 195108 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.107.195108

9. Кутузова А.А., Рыбин М.В. Switchable supercavity modes in metasurfaces based on phase change materials St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, Vol. 16. No. 1.3 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.332

10. Юхтанов Н.Г., Рыбин М.В. Resonant silicon waveguide with strong transverse electric field rotation for magnetic-field-induced non-reciprocity Optics Letters, Vol. 48, No. 11 (год публикации - 2023)
10.1364/OL.491390

11. Сергей Ли, Бинзе Ма, Цян Ли, Рыбин М.В. Antenna-Based Approach to Fine Control of Supercavity Mode Quality Factor in Metasurfaces NANO LETTERS, 23, 6399−6405 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.3c01141

12. Маслова Е.Э., Рыбин М.В. On homogenization approaches for manipulation with fields inside and outside metamaterials Journal of Applied Physics, 134, 063103 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0157823

13. Согрин М.А., Рыбин М.В., Маслова Е.Э. Stability of the homogeneous mode in the metamaterial regime with structural disorder Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, Vol. 40, No. 12 (год публикации - 2023)
10.1364/JOSAB.503086

Публикации