Метаповерхности на основе топологически устойчивых таммовских плазмон-поляритонов для беззеркальных лидаров и интеллектуальных телекоммуникаций

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 22-42-08003

НазваниеМетаповерхности на основе топологически устойчивых таммовских плазмон-поляритонов для беззеркальных лидаров и интеллектуальных телекоммуникаций

Руководитель Тимофеев Иван Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

Конкурс №62 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (MOST)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова таммовский плазмон-поляритон, топологическая фотоника, фотонный кристалл, жидкий кристалл, полностью диэлектрическая метаповерхность, распределенный брэгговский отражатель, связанное состояние в континууме, геометрические фазы Панчаратнама-Берри и Зака, сенсор фазы, микролазер

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Применение топологических идей в фотонике позволило создать впечатляющий ряд миниатюрных фотонных устройств, таких как безотражательные сильно изогнутые волноводы, эффективные линии задержки, спин-поляризованные переключатели и устройства однонаправленной передачи сигнала. С одной стороны, непосредственные причины бума кроются в развитии нанотехнологий. С другой стороны, освоение субволнового масштаба позволяет по-новому осмыслять способы не только для генерации света, но и для управления этой субтильной формой материи. Исторически первое поколение оптических устройст было основано на управлении посредством геометрической формы поверхности (классические зеркала, линзы, призмы). Второе поколение - на перепаде показателя преломления (просветляющие покрытия, плоские линзы). Третье поколение - на управлении двулучепреломлением (ЖК-дисплеи). О четвертом поколении фотонных устройств позволяют говорить такие концепции как фотонные кристаллы и метаматериалы, в том числе двулучепреломляющие, например, дифракционные фазовые волновые пластины и метаповерхности. В них используется способность среды изменять ориентацию оптической оси на волновом и субволновом масштабе. В хиральных фотонных структурах, в которых зеркальная симметрия нарушается за счет структурной хиральности, становится существенным учет геометрической (топологической) фазы, которая еще до появления концепции топологической фотоники была использована Владимирским, Рытовым, Панчаратнамом, Берри и другими при описании особенностей зонной структуры, поляризации на сфере Пуанкаре и сингулярной фазы вблизи нулевой амплитуды в центре оптического вихря. Таким образом, топология находит приложения для изображений с высоким разрешением, в волоконно-оптической связи, а также при создании новых протоколов для обработки квантовой информации. Более того, сохранение топологического заряда лежит в основе нетривиальных оптических связанных состояний в континууме с экстремально высокой добротностью. Топологические состояния наблюдались в технологически важных ближнем инфракрасном и видимом диапазонах частот, с использованием решетки спиральных волноводов и решетки кольцевых резонаторов. В настоящее время активно исследуется широкий спектр других платформ, включая поляритонные цепи, антенные решетки резонаторов и в настоящей заявке - метаповерхности. У российской и тайваньской сторон в проекте уже сформировался общий исследовательский интерес. Это таммовский плазмон-полярион - интенсивная световая волна, локализованная на общей границе двух отражающих фотонных структур. Его основной особенностью является брэгговское отражение при произвольных углах падения, не ограниченных углом полного внутреннего отражения. По сравнению с многомерными периодическими структурами одномерные брэгговские многослойники просты в изготовлении. Для таких структур топологический характер поверхностных состояний удовлетворительно описывается фазой Зака. Кроме того, при наличии слоев из анизотропных материалов нетривиальная топология появляется благодаря поляризации, которая обеспечивает два независимых релаксационных канала для перестраиваемых по добротности резонансов. Нетривиальная топология обеспечивает устойчивость при перестраиваемости спектральных свойств таммовского плазмон-поляритона. Такая перестраиваемость важна при разработке электроуправляемых фотонных устройств, в частности, для умного транспорта и телекоммуникаций. В системе автономного управления для умного транспорта важной составляющей являются датчики, заменяющие органы чувств водителя. Здесь высока ответственность за принятие решения и для конкуренции с водителем-человеком обычной видеокамеры зачастую не достаточно, добавляются радары, парктроники. Еще один дорогостоящий датчик, также призванный заменить глаза водителя - лидар - это устройство фотоники, представляющее собою лазерный радар для точного распознавания объектов на близких расстояниях. Мотивация данного проекта заключается в развитии теории и подтверждающем наблюдении топологически устойчивых локализованных волн в сложных фотонных структурах. Новая актуальная идея - топологическая устойчивость при беззеркальном повороте луча микролазера на основе таммовского плазмон-поляритона. Механическое управление ориентацией источника или отклоняющего зеркала - процесс относительно медленный и не всегда оптимальный. Поэтому вместо того, чтобы отклонять луч лазера от начального направления, заданного при генерации, предлагается менять параметры самого лазера так, чтобы луч генерировался в новом направлении. Данная идея может привести к созданию новых фотонных устройств на основе таких управляемых прозрачных материалов, как жидкие кристаллы и полимеры, многослойные зеркала и наностуктурированные диэлектрические метаповерхности. Планируется получить таммовский микролазер с электроуправляемым лучом и соответствующим детектором.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чжоу Чжун-Син, Е Мин-Чунь, Ю Минь-Вэнь, Ян Чжен-Хон, Су Куань-Линь, Ян Чун-Чин, Линь Чен-Е, Бабичева В.Е., Тимофеев И.В., и Чэнь Гуо-Пин Germanium Metasurfaces with Lattice Kerker Effect in Near-Infrared Photodetectors ACS Nano, ACS Nano 2022, 16, 4, 5994–6001 (год публикации - 2022)
10.1021/acsnano.1c11326

2. Бикбаев Р.Г., Максимов Д.Н., Чэнь Гуо-Пин, Тимофеев И.В. Double-Resolved Beam Steering by Metagrating-Based Tamm Plasmon Polariton Materials, Materials 2022, 15, 6014 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15176014

3. Р.Г. Бикбаев, Г.-П. Чэнь, И.В. Тимофеев Two-Dimensional Dynamic Beam Steering by Tamm Plasmon Polariton Photonics, 10(10), 1151 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10101151

4. Ч.-Х. Хуан, Ч.-Х. Ву, Р.Г. Бикбаев, М.-Д. Йе, Ч.-В. Чэнь, Т.-Д. Ван, И.В. Тимофеев, В. Ли and Г.-П. Чэнь Wavelength- and Angle-Selective Photodetectors Enabled by Graphene Hot Electrons with Tamm Plasmon Polaritons Nanomaterials, 13(4), 693 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13040693

5. Г.А. Романенко, П.С. Панкин, Д.С. Бузин, Д.Н. Максимов, В.С. Сутормин, А.И. Краснов, Ф.В. Зеленов, А.Н. Масюгин, С.В. Неделин, Н.А. Золотовский, И.А. Тамбасов, M.Y. Волочаев, Г.-П. Чэнь, И.В. Тимофеев Metal–dielectric optical microcavity with tunable Q factor Applied Physics Letters, 123, 061113 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0157430

6. Р.Г. Бикбаев, Д.Н. Максимов, П.С. Панкин, М.-Д. Йе, Г.-П. Чэнь, И.В. Тимофеев Enhanced light absorption in Tamm metasurface with a bound state in the continuum Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 55, 101148 (год публикации - 2023)
10.1016/j.photonics.2023.101148

7. П.Н Ким, Д.П. Федченко, Н.В. Рудакова, И.В. Тимофеев Tiling Photonic Topological Insulator for Laser Applications Applied Sciences, 13(6), 4004 (год публикации - 2023)
10.3390/app13064004

8. Йе М., Бикбаев Р.Г., Панкин П.С., Чен Л., Чиу Д., Тимофеев И.В., Чен Х., Исии С., Чен К. Lossless Phase Change Materials for Adjustable Tamm Plasmon Polaritons in the Near-Infrared Adv. Opt. Mater., Adv. Opt. Mater. 2025. Vol. 2402889. P. 1–7. (год публикации - 2025)
10.1002/adom.202402889

9. Ли Ч.-Ж., Ляо Ю.-В., Бикбаев Р.Г., Ян Ч.-Х., Чен Л-С., Максимов Д.Н., Панкин П.С., Тимофеев И.В., Чэнь Г.-П. Selective Plasmonic Responses of Chiral Metamirrors Nanomaterials, 14 (21), 1705; (год публикации - 2024)
10.3390/nano14211705

10. Тимофеев И.В. Будущее не в замене электронов на фотоны, а в их союзе Дайджест РНФ, 2, 51-53 (год публикации - 2024)

11. Йе М.-Д., Бикбаев Р.Г., Максимов Д.Н., Панкин П.С., Ким М., Тимофеев И.В., Чэнь Г.-П. Germanium metasurface near-infrared high-q absorber with symmetry-protected bound states in the continuum Chinese J. Phys., Volume 92, December 2024, Pages 188-194, Scopus Q2, WoS Q1 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cjph.2024.08.018

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Результаты исследований, проведенных в течение третьего года выполнения проекта, опубликованы в двух статьях первой категории: Nanomaterials, Chinese Journal of Physics. Материалы отражены в 5 докладах на 4 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2024», Можайск), Международная конференция по фотонике и информационной оптике (ФИО МИФИ-2024, Москва), Енисейская фотоника (ЕФ-2024, Красноярск), 22th International Conference on Foundations & Advances in Nonlinear Science and 7th International Symposium on Advances in Nonlinear Photonics (FANS&ANP-2024). Тема "Метаповерхности на основе топологически устойчивых таммовских плазмон-поляритонов" вошла в лекционный курс по оптике фотонных кристаллов для магистрантов Сибирского федерального университета. Опубликована популярная статья в СМИ: Дайджест РНФ и страница в сети интернет по результатам выполнения проекта: http://kirensky.ru/ru/institute/labs/pms/project/rnf-22-42-08003 А Включение материалов с фазовым переходом в нанофотонную структуру - простой способ сделать ее перестраиваемой со скоростью менее микросекунды. Антимонит, или трисульфид сурьмы (Sb2S3) - это бинарный полупроводниковый халькогенид. Он считается подходящим материалом с фазовым переходом для нанофотонных приложений в телекоммуникационном диапазоне благодаря своему высокому показателю преломления и широкой запрещенной зоне, обеспечивающей низкие оптические потери. На базе тайваньской инфраструктуры была экспериментально продемонстрирована возможность изменения длины волны топологически устойчивого таммовского плазмон-поляритона за счет кристаллизации слоя трисульфида сурьмы, расположенного между слоем золота и одномерным фотонным кристаллом. Было показано, что фазовый переход трисульфида сурьмы приводит к сдвигу резонансной длины волны с 886 нм до 932 нм. Красный сдвиг обусловлен увеличением показателя преломления слоя трисульфида сурьмы при его фазовом переходе из аморфного состояния в кристаллическое. Предложенный способ изменения длины и, как следствие, фазы отраженной волны может быть использован при проектировании устройства для отклонения светового луча. Рассчитанная и изготовленная на базе тайваньской инфраструктуры метаповерхность из трисульфида сурьмы с нанокирпичами субволнового размера предназначена для переключения дифракционных порядков на резонансной длине волны. Б Рассчитана и изготовлена экспериментально германиевая метаповерхность на основе двумерной решетки субволновых наноотверстий. Варьирование высоты наноотверстия и угла падающего на структуру излучения приводит к возбуждению топологически устойчивого высокодобротного квази-связанного состояния в континууме и низкодобротной высокоизлучающей моды. Оптимизация параметров структуры позволяет добиться практически идеального поглощения на резонансных длинах волн. Представленное устройство на длине волны высокоизлучающей моды продемонстрировало поглощение равное 98,5% и на длине волны квази-связанного состояния в континууме - 93%. Результаты, полученные методом конечных разностей во временной области, объясняются в рамках временной теории связанных мод. Численно исследована и экспериментально реализована хиральная метаповерхность, образованная путем сопряжения золотых нанополос и золотых нанокирпичей. Поворот нанокирпича на 45 градусов приводит к нарушению зеркальной симметрии структуры. В результате на резонансной длине волны свет с левой и правой круговой поляризацией отражается от неё по-разному. Для демонстрации этого эффекта методом конечных разностей во временной области были рассчитаны спектры отражения метаповерхности. На длине волны 750 нм свет с левой круговой поляризацией полностью поглощается в ней, в то время как свет с правой круговой поляризацией поглощается лишь наполовину. Результаты расчета и экспериментальные данные дают хорошее согласие. Измеренная величина кругового дихроизма составила 40%. В Был представлен комплексный подход к моделированию динамики лазерной генерации в системах на основе жидких кристаллов. Перестройка структуры жидкого кристалла под действием приложенного напряжения была рассчитана в рамках модели Франка-Озеена с конечной энергией сцепления жидкого кристалла, описываемой потенциалом Рапини. Соответствующее изменение диэлектрической проницаемости жидкого кристалла было учтено в уравнениях Максвелла. Эмиттеры были описаны как четырехуровневые системы с двумя излучательными переходами. Уравнения для динамики заселенностей энергетических уровней эмиттеров были получены из уравнения Маркова в форме Линдблада, которое учитывало нерадиационные переходы. Итоговая система уравнений содержит только скорости безызлучательных переходов, в то время как динамика радиационных переходов определялась решением уравнений. Система дифференциальных уравнений была решена численно с использованием метода конечных разностей во временной области. Теоретические результаты согласуются с экспериментально измеренными электрически управляемыми спектрами генерации микролазера. Продемонстрированный микролазер состоит из фотоннокристаллического и серебряного зеркал с резонансным слоем из жидкого кристалла, допированного красителем. В результате выполнения проекта был предложен ряд новых фотонных устройств на основе таких управляемых прозрачных материалов, как жидкие кристаллы, проводящие оксиды, материалы с фазовым переходом, многослойные зеркала и наностуктурированные диэлектрические метаповерхности. Экспериментально реализован микролазер с электроуправляемой длиной волны излучения и соответствующий фотодетектор для беззеркальных лидаров и интеллектуальных телекоммуникаций.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта убедительно доказывают, что резонансные метаповерхности, изготовленные из перестраиваемых оптических материалов, могут быть использованы для направленной передачи света и оптической информации, сканирования окружающего пространства и направленного детектирования света определенной частоты. Практический интерес представляет не только плавное, но также и дискретное отклонение луча, которое кратно уменьшает число используемых фотодетекторов. В перспективе перестраиваемые метаповерхности смогут опережать механические сканаторы по скорости, точности, надежности, миниатюрности и удобству изготовления. Это открывает широкие возможности практического использования метаповерхностей, например, в лазерных аддитивных установках и микроскопах с многофотонным поглощением, в однопиксельных камерах и гиперспектрометрах, 3D-сканерах и лидарах. Лидары - это важная часть таких роботизированных автономных устройств, как сортировочные конвейеры, системы безопасности и контроля доступа, беспилотный транспорт. Лазерным дистанционным зондированием активно занимаются в Институте общей физики РАН, в частности, для целей агрофотоники [Гудков С В и др. "Современные физические методы и технологии в сельском хозяйстве" УФН 194 208–226 (2024)]. Результаты могут быть востребованы в ряде организаций, занимающихся исследованиями метаповерхностей. Они органически дополняют решения, предложенные в близких проектах Московского государственного университета [Перестраиваемые метаповерхности для немеханических лидаров, https://istina.msu.ru/projects/39135770/], ФНИЦ Кристаллография и фотоника [Оптические метаповерхности с высокоскоростным жидкокристаллическим управлением, https://rscf.ru/project/18-12-00361/] и др.