Нелинейная нанофотоника в резонансных структурах на основе двумерных материалов

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 21-72-10100

НазваниеНелинейная нанофотоника в резонансных структурах на основе двумерных материалов

Руководитель Кравцов Василий Андреевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

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

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Двумерные материалы, дихалькогениды переходных металлов, Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры, графен, экситоны, трионы, фотонно-кристаллические резонаторы, поляритоны, нелинейный отклик, генерация гармоник.

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время существует острая необходимость в разработке новых активных оптических элементов, в которых светом может управлять свет низкой интенсивности на сверхкоротких временных масштабах. Однако основная проблема связана с отсутствием материальных платформ, которые одновременно поддерживают сверхвысокие оптические нелинейности, работу на субволновых пространственных и фемтосекундных временных масштабах, а также функционирование при комнатных условиях в геометриях, совместимых с оптическими чипами. Таким образом, задача поиска таких платформ является крайне актуальной. Данный проект посвящен разработке новой нелинейно-оптической платформы, основанной на использовании Ван-дер-Ваальсовых двумерных материалов - дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) и графена - интегрированных с резонансными нано-фотонными структурами. Двумерные Ван-дер-Ваальсовы материалы представляют собой новый перспективный класс материалов для разработки следующих поколений опто-электронных, опто-механических, нанофотонных и квантовых устройств. Эти материалы сильно нелинейны, не требуют соблюдения условий фазового синхронизма, могут быть сравнительно просто интегрированы в различные типы нанофотонных структур без значительной модификации пространственного распределения оптического поля, а также предоставляют широкие возможности контроля оптических свойств с помощью внешних электростатических полей или механических деформаций. Однако, несмотря на большие нелинейные восприимчивости в данных материалах, объем нелинейного взаимодействия ограничен их атомарной толщиной. В данном проекте будут экспериментально и теоретически исследованы механизмы усиления нелинейно-оптического отклика в двумерных материалах с использованием нескольких подходов. Во-первых будут изучены резонансные нелинейности как в монослоях, так и в гетероструктурах ДПМ в зависимости от геометрии структур. Во-вторых, будет изучено усиление нелинейности за счет локальной плотности состояний поля в высокодобротных нанофотонных резонаторах, поддерживающих двойные и тройные резонансы. В-третьих, будет детально исследовано влияние сильной связи экситонов в ДПМ и резонансных фотонных мод на усиление нелинейно-оптических эффектов. В результате работы над проектом будет разработана технология изготовления высоко-нелинейных гибридных структур на основе двумерных материалов, реализованы экспериментальные прототипы структур, продемонстрированы нелинейно-оптические эффекты в пределе одиночных фотонов и разработаны модели, описывающие соответствующие механизмы нелинейности. Создание таких элементов представляет несомненный интерес с точки зрения практического использования в оптоэлектронике, а также в оптических и квантовых коммуникациях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ку Й., Ли Х., Иванова Т., Кефаяти А., Перебейнос В., Хестанова Е., Кравцов В., Пак К.-Д. Tunable interlayer excitons and switchable interlayer trions via dynamic near-field cavity Light: Science & Applications, том 12, номер 59 (год публикации - 2023)
10.1038/s41377-023-01087-5

2. Ку Й., Ли Х., Иванова Т., Савельев Р.С., Петров М.И., Кравцов В., Пак К.-Д. Nanocavity-Integrated van der Waals Heterobilayers for Nano-excitonic Transistor ACS Nano, том 17, номер 5, страницы 4854-4861 (год публикации - 2023)
10.1021/acsnano.2c11509

3. Кондратьев В.И., Пермяков Д.В., Иванова Т.В., Иорш И.В., Крижановский Д.Н., Сколник М.С., Кравцов В., Самусев А.К. Probing and Control of Guided Exciton−Polaritons in a 2D Semiconductor-Integrated Slab Waveguide Nano Letters, 23, 7876-7882 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.3c01607

4. Шубник А., Шахназарян В., Шелых И.А., Ростами Х. Exciton spin Hall effect in arc-shaped strained WSe2 Physical Review B, 109, L201409 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.109.L201409

5. Хестанова Е., Шахназарян В., Козин В.К., Кондратьев В.И., Крижановский Д.Н., Сколник М.С., Шелых И.А., Иорш И.В., Кравцов В.А. Electrostatic Control of Nonlinear Photonic-Crystal Polaritons in a Monolayer Semiconductor Nano Letters, 24, 7350-7357 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.nanolett.4c01475

Публикации