Оптические свойства неэрмитовых особенностей нового типа в диэлектрических наноструктурах

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 23-72-00037

НазваниеОптические свойства неэрмитовых особенностей нового типа в диэлектрических наноструктурах

Руководитель Шалин Александр Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова исключительные точки, неэрмитовы системы, диэлектрическая нанофотоника, метаповерхность, наночастица

Код ГРНТИ29.31.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Последнее время, оптические свойства наноструктур из полупроводниковых и диэлектрических материалов (например Si, Ge, TiO2) с высоким показателем преломления и малыми потерями в оптическом диапазоне привлекают все большее и большее внимание. Детально исследован их отклик в непрерывном режиме облучения, и получен целый ряд новых оптических эффектов, возникающих, прежде всего, благодаря возможности возбуждать в таких частицах как электрические, так и магнитные мультипольные моменты и почти полному отсутствию поглощения. На основе обнаруженных явлений разработан целый ряд сверхтонких оптических систем (толщиной примерно, в несколько десятков нанометров), обладающих недостижимой для обычных систем функциональностью. Более того, несмотря на большое количество групп в мире, занимающихся данным направлением в фотонике, эта область далека от исчерпания и регулярно пополняется новыми открытиями. В последнее время все большее внимание привлекает наличие в таких структурах неэрмитовых сингулярностей (или особенностей), таких, например, как связанные состояния в континууме, решеточные резонансы, поляризационные сингулярности и т.д. В рамках данного проекта мы теоретически и экспериментально исследуем новый тип особенностей в пассивных диэлектрических структурах, ранее в них не обнаруженных и не изученных – исключительные точки (EPs) – точки, в которых совпадают собственные частоты двух или нескольких мод в зависимости от параметров структур. При помощи имеющихся у коллектива наработок на основе метода квазинормальных мод (QNMs) и теории связанных мод (CMT) будет создан новый подход для описания процесса формирования и оптических свойств исключительных точек в пассивных наночастицах за счет разрушения их зеркальной симметрии (например, в частицах в форме усеченного конуса). Будет впервые аналитически и численно исследовано поведение мультипольных моментов вблизи EPs и показана их гибридизация, приводящая к необычному оптическому отклику. Создание наноструктур, например, димеров, тримеров и метаповерхностей из частиц с исключительными точками позволит комбинировать различные особенности, такие как вышеупомянутые связанные состояния в континууме, решеточные резонансы и т.д. с EPs, а также с реализовывать исключительные точки более высоких порядков, что, в свою очередь, открывает путь к реализации совершенно новых эффектов, которые, к тому же, могут быть устойчивы к неидеальности фабрикации и, соответственно, относительно легко получены в эксперименте. На финальном этапе проекта полученные результаты будут применены для разработки моделей и прототипирования устройств на основе новых обнаруженных явлений и эффектов, в частности – сенсоров показателя преломления и метаповерхностей для формирования фазы и формы пучков. Теоретические результаты и модели будут верифицированы экспериментально, для этого будут созданы образцы разработанных наночастиц и структур из кремния с максимальной допустимой точностью с различными геометрическими параметрами. Образцы, с параметрами, наиболее близкими к теоретическим, будут использованы для спектроскопических измерений, например, методом темнопольной спектроскопии для определения оптического отклика вблизи исключительных точек. В случае метаповерхностей будут использоваться методы спектроскопии пропускания и отражения; полученные спектры будут сравниваться с теоретическими. Прототипирование разработанных моделей также будет проводиться экспериментально в лабораторных условиях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.И.Трибельский Влияние закона сохранения энергии, размерности пространства и симметрии задачи на сингулярности поля вектора Пойнтинга Письма в ЖЭТФ, 118, 6, 417 – 429 (год публикации - 2023)
10.31857/S1234567823180064

2. М.И.Трибельский Exact solutions to fall of particle to singular potential: classical versus quantum cases Proceedings of the Royal Society A, 479, 20230366 (год публикации - 2023)
10.1098/rspa.2023.0366

3. Олег А. Стрелецкий, Илья А. Завидовский, Ислам Ф. Нуриахметов, Абдусаме А. Хайдаров, Александр В. Павликов и Кашиф Ф. Миннебаев The Field-Effect Transistor Based on a Polyyne–Polyene Structure Obtained via PVDC Dehydrochlorination Journal of Composites Science, 7, 264 (год публикации - 2023)
10.3390/jcs7070264

4. Новицкий Д. В., Шалин А. С. Virtual perfect absorption in resonant media and their PT -symmetric generalizations PHYSICAL REVIEW A, 108, 053513 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.053513

5. Адриа Канос Валеро, Хади К. Шамхи, Антон С. Куприянов, Томас Вайс, Александр Александрович Павлов, Дмитрий Редька, Вячеслав Бобров, Юрий Кившарь и Александр Шалин Superscattering emerging from the physics of bound states in the continuum Nature Communications, 14, 4689 (год публикации - 2023)
10.1038/s41467-023-40382-y

6. Адриа Канос Валеро, Вячеслав Бобров, Томас Вайс, Лэй Гао, Александр Сергеевич Шалин и Юрий Кившарь Bianisotropic exceptional points in isolated dielectric resonators Physical Review Research (год публикации - 2023)

7. ШАЛИН А.С., АДРИА КАНОС ВАЛЕРО, МИРОШНИЧЕНКО А. ALL-DIELECTRIC NANOPHOTONICS Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 600 стр (год публикации - 2023)

8. Денис Кислов, Томс Салгалс Calculation of Absorption Spectra of Graetzel Photovoltaic Cells with Plasmonic Nanoparticles by the FDTD Method Lecture Notes in Networks and Systems , 1491, pp. 226–231, 2025. (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-96380-3_19

9. Денис Кислов, Томс Салгалс Multipole Response of All-Dielectric Metasurface at Exceptional Point Lecture Notes in Networks and Systems, 1491, pp. 232–236, 2025 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-96380-3_20

10. Раманович М , Новицкий А, Бобровс В, Шалин А.С., Новицкий Д.В. Exceptional points in PT -symmetric layered structures with an anisotropic defect Physical Review B, 110, 195423 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.195423

11. Валеро А.С., Бобровс В., Вайс Т., Гао Л., Шалин А.С., Кившарь Ю. Bianisotropic exceptional points in an isolated dielectric nanoparticle Physical Review Research, 6, 013053 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevResearch.6.013053

12. Li,J., Zhang,Z., Xu,Y., Fu,S., Yang,J., Wang,Y., Shalin,A.S. , Qin, Y. Kerker superscattering Physical review applied (год публикации - 2024)

13. Прадхан М., Шарма С., Кислов Д., Шалин А.С., Варшни С.К. High Purcell factor driven by simultaneous bianisotropy and anapole state in All-dielectric metasurfaces Laser & Photonics Reviews (год публикации - 2024)
10.1002/lpor.202401102

14. Кислов Д.А., Ворошилов П., Кадочкин А., Вениаминов А., Захаров В., Светухин В.В., Бобровс В., Коваль О., Комендо И., Азамов А.М., Большаков А., Дворецкая Л., Можаров А., Голтаев А., Гао Л., Волков В., Арсенин А., Гинзбург П., Мухин И., Шалин А.С. Flexible Asymmetrically Transparent Conductive Metamaterial Electrode Based on Photonic Nanojet Arrays Laser & Photonics Reviews, 2400550 (год публикации - 2024)
10.1002/lpor.202400550

15. Денис Кислов, Томс Салгалс Measurement of Electrical Parameters of a Photovoltaic Graetzel Cell with Silver Nanoparticles Lecture Notes in Networks and Systems, 1492, pp. 279–286, 2025. (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-96775-7_23

16. Дунъян Ян, Александр С. Шалин, Юнсин Ван, Юнь Лай, Ядун Сюй, Чжихун Хан, Фан Цао, Лэй Гао и Цзе Ло. Ultrasensitive Higher-Order Exceptional Points via Non-Hermitian Zero-Index Materials Physical Review Letters, 134, 243802 (год публикации - 2025)
10.1103/18gg-gvzc

17. Денис Кислов, Марекс Парфёнов Effect of Metallic Nanoparticles on Nonradiative Intermolecular Inductive-Resonant Energy Transfer in a Porous Matrix Lecture Notes in Networks and Systems, 1491, pp. 216–225, 2025 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-96380-3_18

18. Розенталь Сюзанна, Томс Салгалс The Study of the Interaction of Electromagnetic Radiation with Non-hermitian Systems Lecture Notes in Networks and Systems, 1562, pp. 446–455 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-032-04725-0_28

19. Денис Кислов, Марекс Парфёнов Biometric Fingerprint Identification Using the Frustrated Total Internal Reflection Method Lecture Notes in Networks and Systems, 1492, pp. 273–278, 2025. (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-96775-7_22

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В представленном перечне выполненных в отчетном году работ нумерация соответствует нумерации п.1.2. «Заявленные научные результаты на конец отчетного периода» 1. Была разработана теория квазинормальных мод с использованием подхода теории многократного рассеяния для количественного описания физики гибридизации между квазинормальными модами нескольких частиц. 2. Была реализована модель димеров, в которых каждая наночастица поддерживает исключительную точку на примере димера диэлектрических высокоиндексных наноконусов. Рассмотрен спектр собственных частот такой системы и показано, что исключительная точка в данной конфигурации системы не формируется. Это связано с тем, что параметры, подходящие для изолированной частицы, могут не обеспечивать оптимальных условий для взаимодействия в димере. 3. Проведено поисковое исследование по поиску подходящих материалов для димеров наночастиц, поддерживающих исключительные точки. Синтезировано несколько видов наночастиц из различных материалов. Экспериментально исследованы их свойства. 4. Проведены эксперименты по визуализации образцов димеров наночастиц, поддерживающих исключительные точки, в сканирующем электронном микроскопе. 5. Была изучена метаповерхность из димеров, поддерживающая исключительную точку и изучен ее оптический отклик. Метаповерхность, элементарный домен которой состоит из димера кремниевых параллелепипедов на стеклянной подложке, поддерживает исключительную точку и проявляет специфический резонанс в спектре пропускания при определенном периоде размещения димеров в метаповерхности. 6. На основе приближения связанных диполей была реализована аналитическая модель эффекта суперрассеяния на основе механизма Фридриха-Винтгена, основанного на превалирующем вкладе тороидального дипольного момента. Кроме того, выполнено численное моделирование эффекта. Показано полное совпадение с аналитической моделью. 7. Проведена пробоподготовка системы из керамики с диэлектрической проницаемостью 16-20, поддерживающая тороидальное суперрассеяние, для измерения в микроволновой области частот. 8. Проведены эксперименты в безэховой камере по измерению спектров рассеяния в дальней зоне системы из керамики с диэлектрической проницаемостью 16-20 в микроволновом диапазоне. Подтверждено наличие эффекта суперрассеяния. 9. Проведены эксперименты в безэховой камере по сканированию ближнего поля системы из двух высокоиндексных (диэлектрическая проницаемость 16-20) керамических кубов. 10. Разработана численная модель для одиночных суперрасеяивающих нанопроводов из кремния на стеклянной подложке. Проведено моделирование при различных геометрических параметрах нанопроводов. Продемонстрирован эффект суперрассеяния по двум механизмам: случайному и Фридриха-Винтгена. 11. Разработана численная модель метаповерхностей на основе суперрассеивающих нанопроводов из кремния, реализующих полное пропускание излучения через структуру в диапазоне реализации суперрассеяния. Проведены численные расчеты 12. Разработана численная модель метаповерхности для управления фазой прошедшего через структуру излучения за счет реализации эффекта суперрассеяния на основе нанопроводов из кремния. Проведены расчеты, в результате которых показан метод контролируемого управления фазой прошедшего излучения. 13. Изготовлены экспериментальные образцы. Методом травления получены экспериментальные образцы нанопроводов из кремния на стеклянной подложке 14. Изготовлены экспериментальные образцы. Методом травления получены экспериментальные образцы нанопроводов из арсенида галия на сапфировой подложке 15. Выполнены эксперименты по визуализации образцов суперрассеивающих нанопроводов в сканирующем электронном микроскопе. Получены СЭМ-фотографии образцов. 16. Проведены эксперименты по измерению спектров рассеяния одиночных суперрассеивающих нанопроводов. Проведено сравнение полученных спектров с результатами численного расчета. Впервые экспериментально подтвержден эффект суперрассеяния в оптическом диапазоне частот.

Публикации

12. Li,J., Zhang,Z., Xu,Y., Fu,S., Yang,J., Wang,Y., Shalin,A.S. , Qin, Y. Kerker superscattering Physical review applied (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведено моделирование двумерной метаповерхности из димеров кремниевых параллелепипедов (L₁=320 нм, L₂=150 нм, L₃=300 нм, P=1000 нм). Установлено, что при d≈183 нм и θ≈1,1° происходит слияние собственных частот и векторов мод, соответствующее исключительной точке (ИТ). Спектры отражения демонстрируют провал до нуля при 264,6 ТГц, что совпадает с теорией. 2. Изготовлены экспериментальные образцы метаповерхностей из кремниевых наноцилиндров, упорядоченных в решётку. Геометрия соответствует расчётным значениям, обеспечивающим реализацию ИТ, структура однородна и воспроизводима. 3. Получены СЭМ-изображения структур. Радиусы элементов R=100–125 нм, высота H≈330 нм, шаг s=300 нм, смещения δ=±50 нм. Отклонения не превышают 10 нм, что подтверждает точность изготовления. 4. Получены спектры отражения: при 264–265 ТГц наблюдается характерный провал, совпадающий с расчётами по модели связных мод. 5. Разработана модель сенсорной метаповерхности на стеклянной подложке (nₛᵤᵦ=1.45, L₁=305 нм, L₂=100 нм, L₃=240 нм, P=520 нм, θ=4°). При d=80 нм система достигает ИТ с обращением нормы поля в нуль, что повышает чувствительность к изменениям показателя преломления среды. 6. Получены спектры отражения метаповерхности в зависимости от внешней среды. При варьировании показателя преломления обнаружена квадратичная зависимость смещения длины волны прозрачности (λ≈833 нм), характерная для сенсора на основе ИТ. 7. Разработан концепт сенсора показателя преломления, основанный на неэрмитовых взаимодействиях и материалах с нулевым показателем преломления (ENZ/ZIM). В трёхканальной модели ZIM реализованы ИТ третьего порядка с лазерными, отражающими и поглощающими состояниями. 8. Проведено моделирование кремниевых метаповерхностей, настроенных на неэрмитово погашение рассеяния (гибридное анапольное состояние). Для наноцилиндров H=330 нм, R=100–140 нм найден провал сечения рассеяния σₛcₐ при λ=625–685 нм, вызванный деструктивной интерференцией электрических, магнитных и тороидальных мод. 9. Рассчитаны спектры пропускания и отражения: при λ≈655 нм достигается минимум отражения и максимум пропускания T≈0.98. Изменение радиуса вызывает смещение минимума на ~60 нм без потери добротности. 10. Изготовлены образцы с R=120±5 нм, P=300 нм, демонстрирующие провал рассеяния при λ≈670 нм. Параметры соответствуют условиям гибридного анаполя. 11. Морфологический анализ подтвердил цилиндрическую симметрию и равномерность элементов, разброс размеров не превышает ±5 %, обеспечивая согласованное погашение рассеяния. 12. Измеренные спектры пропускания показывают максимум при λ=660–675 нм и минимум отражения <5 %, что совпадает с расчётами. Эффект сохраняется при неупорядоченности массива. 13. Исследованы фазовые распределения при переходе через анапольное состояние. Показано, что фаза прошедшего поля изменяется на π/2 радиан, а фазовые свойства устойчивы к аберрациям. 14. Построена численная модель сенсора, основанного на состоянии с погашенным рассеянием (ГАС) в кремниевых наноантеннах. Рассмотрены три типа: сплошной цилиндр, цилиндр со сквозным и с полувысоким отверстием (H=330 нм, s=300 нм, rₕ=30 нм). Для всех конфигураций проведены мультипольные расчёты при λ=750 нм, выявлены одновременные минимумы вкладов основных мод и реализация режима ГАС с локализацией поля в центре наноантенны. 15. Рассчитаны спектры пропускания и рассеяния метаповерхностей с оптимизированными антеннами в режиме ГАС без и с наночастицами. Все структуры пропускают >90 % излучения и демонстрируют провал рассеяния при λ≈750 нм. Добавление золотой наночастицы разрушает локализованное поле и усиливает рассеяние, особенно для антенн с отверстиями, формируя отчётливый оптический сигнал детектирования. 16. Исследовано влияние показателя преломления среды на спектры пропускания и рассеяния. При отклонении от оптимальных условий λ=750 нм окно высокой прозрачности смещается и сужается, определяя рабочую область сенсора. Анализ спектров с наночастицами показал, что наибольшие изменения наблюдаются для антенн с отверстиями, где разрушение поля приводит к росту сигнала. Сделан вывод о высокой чувствительности структур в режиме ГАС к наночастицам и изменениям показателя преломления. 17. Опубликовано 1 статья в Physical Review Letters и 7 статей в других журналах.

Публикации

12. Li,J., Zhang,Z., Xu,Y., Fu,S., Yang,J., Wang,Y., Shalin,A.S. , Qin, Y. Kerker superscattering Physical review applied (год публикации - 2024)