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 22-42-08003

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

РуководительТимофеев 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

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

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 словатаммовский 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.

Ожидаемые результаты
Будет развита теория для описания топологически устойчивых локализованных оптических волн в сложных фотонных структурах микронного размера. Будет обосновано применение фундаментальной концепции топологической устойчивости к новым типам высокодобротных локализованных волн. Для таких волн условия существования, настраиваемости и оптимальности будут описаны на примере различных фотонных структур и материалов. Данные исследования будут оригинальными и будут соответствовать мировому уровню в направлении изучения фотонных структур и метаповерхностей. Научная значимость определяется тем, что результаты проекта дополнят топологическую фотонику новыми явлениями, а также подходами к их объяснению и применению. Будет создано программное обеспечение на основе теории топологически устойчивых локализованных волн. Алгоритмы позволят расчитывать генерацию и распространение световой волны в фотонных структурах и развивать новые методы управления транспортными, энергетическими, поляризационными и спектральными свойствами сложных фотонных структур. Данное программное обеспечение будет обладать рядом преимуществ по сравнению с существующими на рынке программными продуктами. Создание такого программного обеспечения позволит оптимизировать характеристики оптоэлектронных приборов с топологически устойчивым управлением. Для экспериментальной проверки теории методами химического осаждения и электронной литографии будет изготовлена серия сложных фотонных структур, содержащих жидкие кристаллы, наностуктурированные диэлектрические метаповерхности и многослойные диэлектрические зеркала. Качество образцов будет контролироваться методами электронной микроскопии и оптической спектроскопии. На основе изготовленных метаповерхностей и брэгговских отражателей будут собраны оптические резонаторы. Измеренные оптические характеристики образцов будут сопоставлены с численными и аналитическими моделями. В соответствии с названием проекта «Метаповерхности на основе топологически устойчивых таммовских плазмон-поляритонов для беззеркальных лидаров и интеллектуальных телекоммуникаций» будет продемонстрирован новый микролазер для лидара, с беззеркальным угловым отклонением луча для сканирования окружающего пространства. Сначала мы планируем осуществить настройку угла наклона по отношению к нормали метаповерхности. Затем будет показано управление азимутальной степенью свободы. Конечная цель - контроль обоих углов одновременно.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Материалы исследований, проведенные в течение первого года выполнения проекта, опубликованы в двух статьях первого квартиля (Materials, ACS Nano) и представлены в десяти докладах на конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2022», Можайск), International Liquid Crystal Conference (ILCC-2022, Лиссабон, Португалия), Енисейская фотоника 2022 (Красноярск), SPb OPEN (Санкт-Петербург), Advances in Nonlinear Photonics 2022 (Минск). Опубликована популярная статья в СМИ и страница в сети интернет по результатам выполнения проекта: http://kirensky.ru/ru/institute/labs/pms/project/rnf-22-42-08003 Исследования были направлены на оптимизацию угловых спектров ближней ИК-области для таммовских плазмон-поляритонов, локализованных на границе многослойного зеркала, ограниченного метаповерхностью. Было продемонстрировано отклонение светового пучка вдоль одного направления без механического поворота. При помощи напряжения, приложенного к серебряным нанополосам метаповерхности, изменялась концентрация носителей и, как следствие, диэлектрическая проницаемость тонкой подложки из прозрачного проводящего оксида. В связи с этим существенно изменялась фаза и амплитуда резонансной световой волны. Для управляемой дифракционной решетки период определяется количеством нанополос с разным прикладываемым напряжением. В случае симметричного распределения напряжения вдоль нанополос (одинаковым количеством нанополос с приложенным напряжением и без него) было продемонстрировано значительное (до 30 градусов) отклонению первого порядка дифракции. Несимметричное пространственное распределение фазы вдоль метаповерхности позволяет сосредоточить излучение в единственном дифракционном максимуме и добиться удвоения углового разрешения предложенного устройства. Также важно обеспечить резонансную чувствительность устройства к принимаемому ИК-излучению. На базе тайваньской инфраструктуры был экспериментально продемонстрирован фотодетектор на основе двумерной германиевой метаповерхности, в которой возбуждаются электрические и магнитные дипольные решеточные резонансы. При перекрытии резонансов Ми с решеточными резонансами реализуется эффект Керкера. Несмотря на малую поглощающую способность германия к ИК-излучению, в метаповерхности толщиной 260 нм резонансное поглощение достигает 60%. Было показано, что за счет локализации электромагнитного поля вблизи полупроводника и дальнейшего преобразования оптической энергии в электричество, в сравнении с однородной германиевой пленкой фототок детектора на основе германиевой метаповерхности возрастает в пять раз.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.3390/ma15176014

2. 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) https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11326

3. - Для точного наведения лазерного луча использована новая метаповерхность Indicator, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Материалы исследований, проведенных в течение второго года выполнения проекта, опубликованы в пяти статьях (первого квартиля: Nanomaterials, Applied Phys Lett; второго квартиля: Photonics, Applied Sciences, NPFA) и представлены в 13 докладах на 8 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2024», Можайск), International Conference “Functional Materials” «ICFM-2023» (V. I. Vernadsky Crimean Federal University, 2023), Международная конференция по фотонике и информационной оптике (ФИО МИФИ-2023, Москва), Дни дифракции, Люминесценция и лазерная физика, Невская фотоника, Проспект Свободный, Первые Самарцевские чтения (PECS-2023, Светлогорск). Опубликованы две популярные статьи в СМИ и страница в сети интернет по результатам выполнения проекта: http://kirensky.ru/ru/institute/labs/pms/project/rnf-22-42-08003 Исследования были направлены на оптимизацию угловых спектров телекоммуникационной области для таммовских плазмон-поляритонов, локализованных на границе многослойного зеркала, ограниченного метаповерхностью. Численно продемонстрировано отклонение светового пучка вдоль двух направлений без механического поворота. Двумерная решетка из золотых нанокирпичей расположена на тонком слое сапфира, нанесенного на слой оксида индия, допированного оловом. Вся структура помещена на поверхность многослойного зеркала. Установлено, что на длине волны 1550 нм проявляется узкий резонанс, соответствующий таммовскому плазмон-поляритону. Увеличение приложенного напряжения приводит к смещению резонансной длины волны в коротковолновую область спектра и значительному изменению фазы отраженной волны. При помощи напряжения, приложенного к золотым нанокирпичам метаповерхности, изменялась концентрация носителей заряда и, как следствие, диэлектрическая проницаемость в тонкой пленке оксида индия, допированного оловом. В отличие от ранее предложенной структуры на основе нанополос, которая позволяет изменять только один угол отклонения пучка, новая метаповерхность позволяет сформировать дифракционную решетку требуемого периода в двух пространственных направлениях и реализовать управление интенсивностью дифракционных порядков как по полярному, так и по азимутальному углу. Также важно обеспечить резонансную чувствительность устройства к принимаемому ИК-излучению. Численно исследовано поглощение света в германиевой решетке, расположенной на поверхности фотоннокристаллического зеркала. Такая система обеспечивает возбуждение оптического таммовского состояния. Изменение угла падающего на структуру излучения приводит к коллапсу резонансной линии, что является характерным признаком связанного состояния в континууме. Мы показали, что чрезвычайно узкий резонанс таммовского состояния обеспечивает идеальное поглощение в германиевой решетке в режиме критической связи. Предложенный поглотитель может использоваться как при нормальном, так и при наклонном падении света. На базе тайваньской инфраструктуры был экспериментально продемонстрирован фотодетектор горячих электронов на основе таммовского плазмон-поляритона. Исследовано поглощение света в пленке графена, расположенной между металлической пленкой и фотоннокристаллическим зеркалом. Фотодетектор обеспечивает чувствительность как по длине волны, так и по углу падения. Показано, что фоточувствительность устройства на длине волны 850 нм увеличивается с 0 до 330 мкА/Вт при увеличении угла падения с 0 до 50 градусов, в то время как при нормальном падении на длине волны 517 нм фоточувствительность достигает 271 мкА/Вт. Был изготовлен слоистый металлодиэлектрический микрорезонатор, в котором в качестве резонаторного слоя используется жидкий кристалл. Трансформация спектров микрорезонатора показана экспериментально с использованием трех методов: механического вращения образца, нагрева и приложения внешнего напряжения. В полученных спектрах наблюдаются множественные исчезающие резонансные линии. Установлено, что исчезающие резонансные линии не являются спектральным проявлением связанного состояния в континууме этой системы. Несмотря на отсутствие истинных связанных состояний в континууме, продемонстрирована экспериментальная настройка резонансной добротности за счет изменения скорости радиационных потерь путем изменения оптических свойств жидкокристаллического слоя.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.1063/5.0157430

2. 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) https://doi.org/10.3390/app13064004

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) https://doi.org/10.3390/photonics10101151

4. 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) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2023.101148

5. 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) https://doi.org/10.3390/nano13040693

6. - Обнаружена суперустойчивая траектория светового луча https://ksc.krasn.ru/news/, - (год публикации - )

7. - Фотонный и жидкий кристаллы помогли запереть свет в микрорезонаторе https://ksc.krasn.ru/news/, - (год публикации - )