Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В процессе выполнения работ по проекту в первую очередь был проведен литературный обзор, раскрывающий темы мультипольного отклика диэлектрических наночастиц в нанофотонике и оптических свойств метаповерхностей из таких частиц. Далее, в рамках выполнения проекта был разработан и последовательно улучшен метод мультипольной декомпозиции полного и рассеянного электромагнитного поля в дальней зоне, сечения экстинкции, сечения рассеяния. Декомпозиция проводится вплоть до электрического октуполя в декартовом представлении мультиполей. Выделяя в мультипольном представлении тороидальный момент, мы, во-первых, можем разделить вклады отдельных мультиполей в сечение рассеяния, убрав перекрестные члены, а во-вторых, исследовать характер интерференции тороидального и электрического дипольных моментов. В приложении к отчету приведены конечные формулы для вычисления мультипольных моментов и вкладов каждого мультиполя в сечение рассеяния. Метод мультипольной декомпозиции позволяет как описать особенности рассеяния и поглощения частиц, так и, вкупе с методами аппроксимации, сконструировать частицу с заданным откликом. Помимо данного метода также предложен ряд приближенных моделей, позволяющих определить параметры резонансов мультипольных моментов наночастицы в зависимости от формы и размера наночастиц без проведения сложных численных расчетов. Это позволяет быстро определить геометрические параметры нанообъекта, необходимые для реализации того или иного мультипольного резонанса на заданной длине волны. Предложен метод «настройки» мультипольного отклика и, соответственно, сечения рассеяния за счет варьирования параметров излучения. Как применение этого метода, был исследован мультипольный отклик параллелепипедов, эллипсоидов, цилиндров, подробно исследованы мультипольные особенности и диаграммы направленности рассеяния нанопараллелепипедов и наноцилиндров с отверстием и без. Показано, что мультипольный отклик таких частиц приводят к интересным эффектам как в дальней, так и в ближней зоне. Так, мы показываем ослабление рассеяния света частицами цилиндрической и параллелепипедной формы в направлении «назад» из-за взаимодействия, преимущественно, тороидального и магнитного дипольных моментов. Исследован также противоположный эффект, связанный с деструктивной интерференцией электрического дипольного и тороидального моментов и их взаимным погашением в наночастицах тороидальной формы либо в форме цилиндра с отверстием. Также, в результате численного моделирования были получены зависимости резонансных значений мультипольных моментов от высоты частицы в виде набора соответствующих численных значений. После этого с помощью методов аппроксимации были получены аналитические зависимости, описывающие поведение параметров рассеяния в зависимости от изменения размера диэлектрической частицы и позволяющие определить значения и спектральные положения мультипольных резонансов для других аналогичных частиц без проведения моделирования. Приведенные результаты вкупе с разработанным методом мультипольной декомпозиции представляют собой теоретическую модель, описывающую возбуждение мультиполей, необходимых для формирования требуемых мультипольных особенностей рассеяния путем варьирования параметров нанообъекта. Такая модель является научно новой и значимой, так как позволяет конфигурировать систему с заданным мультипольным откликом. Представлены результаты сравнения разработанных методов конфигурирования с численным расчетом, приведена оценка вносимых приближенным решением погрешностей. Далее, для решения задач конфигурирования мультипольного отклика посредством изменения условий возбуждения было разработано программное обеспечение на основе алгоритма «имитации отжига», позволяющее найти наиболее приближенное к искомому, заданному заранее сечению рассеяния с учетом его мультипольной декомпозиции. Для набора исследуемых форм наноструктур (тор, параллелепипед, цилиндр) был сделан вывод, что мультипольный отклик нанообъекта на падающее излучение можно разложить на набор не интерферирующих аддитивных компонент, основанных на возбуждении объекта плоской волной с определенным волновым вектором, что позволяет, ввиду возможности разложить любое излучение по плоским гармоникам, приблизительно «сконструировать» мультипольный отклик за счет конфигурирования падающего пучка, что физически реализуемо, например, при помощи пространственного модулятора света. Подробно изучив мультипольные особенности рассеяние частиц, мы обратились к исследованию эффектов концентрации поля в объеме частиц, а также вне его. Были исследованы эффекты концентрации магнитного поля в кремниевых цилиндрах с отверстием различного радиуса, в параллелепипедах, торах, сфероидах и системах из них. Исследована связь эффекта концентрации магнитного поля с мультипольным откликом системы. Был исследован длинноволновый резонанс усиления магнитного поля на оси цилиндра. Мультипольный и модовый анализ показал, что в случае фронтального падения первый резонанс осевого магнитного горячего пятна цилиндрической частицы может соответствовать различным мультиполям и различным модам и их комбинациям. Получены оптимизированные параметры кремниевых наноцилиндров, при которых достигается наибольший коэффициент усиления магнитного поля вне материала частицы (в коаксиальном сквозном отверстии). Подробности приведены в приложении. Особо важной представляется задача генерации так называемых чистых магнитных горячих пятен для возбуждения магнитных переходов в оптическом диапазоне, а также для задач сенсинга. Нами были исследованы системы из кремниевых наноцилиндров с соосными отверстиями, с использованием которых достигается эффективное разделение электрической и магнитной компоненты полного поля, с резонансным увеличением магнитной компоненты и резонансным ослаблением электрической. На основе мультипольной декомпозиции показано, что частоте, на которой реализуется наибольшее разделение полей, соответствует анапольная мода – погашение электрического дипольного момента тороидальным моментом. По представленным результатам было опубликовано 7 статей в научных журналах

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе работ по проекту был проведен эксперимент по измерению ближне- и дальнепольных свойств керамических образцов в виде полых трубок. В соответствии с результатами численного моделирования были изготовлены три одинаковых керамических образца путем перемешивания смеси титанатов магния и последующего запекания. Система соосно расположенных трубок облучалась плоской волной. В системе возбуждались высокоэффективные чистые магнитные горячие пятна с высоким коэффициентом пространственного разделения магнитной и электрической компоненты поля. Измерения профилей поля с помощью ближнепольных зондов магнитного и электрического типа, а также полей структуры в дальней зоне подтвердило теоретическое предположение о существовании пространственного разделения, а также о соответствии частоты максимального пространственного разделения частоте минимума рассеяния, также соответствующему возбуждению анапольного состояния. Анапольное состояние проявляется в деструктивной интерференции мультипольного отклика структуры в дальней зоне, и в данном проекте авторы впервые показали, что оно может соответствовать пространственному разделению электрической и магнитной компоненте поля в ближней зоне структуры. Далее, были исследованы групповые эффекты, влияющие на оптический отклик метаповерхностей, в структурных элементах которой возбуждаются мультиполи различного порядка. Для конструирования метаповерхностей, использующих мультипольный отклик структур, согласно заявленному плану работ были проведены необходимые исследования диаграмм рассеяния одиночных частиц. Было исследовано возбуждение мультиполей различного порядка в кремниевых структурах сферической и несферической формы, в том числе несимметричной. Исследованы эффекты широкополосного направленного рассеяния, несимметричного эффекта Керкера, найдены условия для формирования направленного рассеяния при любом порядке возбуждаемых мультиполей, а также исследован специфический тип рассеяния – латеральный, соответствующий рассеянию преимущественно в плоскости, перпендикулярной направлению падения волны. Все описанные особенности диаграмм рассеяния связаны с возбуждением мультиполей различного порядка в частицах. Отдельной рассмотрены случаи, когда эффект Керкера соответствует конструктивной интерференции излучения магнитных и электрических диполей и вкадруполей в направлении «вперед», и деструктивной – в направлении «назад»; а также, когда латеральное рассеяние соответствует деструктивной интерференции излучения электрических и магнитных диполей и квадруполей как в направлении «назад», так и в направлении "вперед"« В первую очередь, были исследованы метаповерхности, представляющие собой двумерные массивы кремниевых наночастиц в форме параллелепипеда, эффективно генерирующих магнитные горячие пятна внутри своего объема. Показано, что распределение магнитного поля в объеме структуры описывается через возбуждение мультипольных моментов, по спектральному характеру которых можно судить о концентрации магнитного поля в частицах. В зависимости от того, какие мультиполи возбуждаются в частице, при одних и тех же параметрах периода решетки может наблюдаться как усиление, так и ослабление максимума магнитного поля в частице. Например, при учете взаимодействия частиц в решетке на длине волны нерезонансного магнитного квадрупольного излучения может начать резонировать магнитный диполь, что существенно изменит не только рассеяние структуры в дальнюю зону, но и распределение ближних полей в ней. Таким образом, можно контролировать оптические свойства структуры путем изменения параметра решетки, а также длины волны падающего излучения. Далее, было произведено исследование и оптимизация метаповерхности на основе вытянутых полых трубок (или наноигл). Материал частиц – кремний, рассматривалась полубесконечная стеклянная подложка. Обнаружен диапазон длин волн, при которых наблюдается существенное пространственное разделение электрической и магнитной компоненты поля с коэффициентом разделения до двух порядков. Получены спектры мультипольной декомпозиции. Полученный результат может быть использован в задачах селективного возбуждения магнитного отклика молекул и нанообъектов. В рамках изучения антиотражающих свойств метаповерхностей на высокоиндексных подложках была изучена зависимость оптических свойств упорядоченных наноструктур от угла падения волны. Показано, что при изменении угла падения падающей волны метаповерхность из кремниевых сферических наночастиц на кремниевой подложке ведет себя в оптическом диапазоне как структура с переменным показателем преломления, также осуществляя контроль углов прошедшего и отраженного света. На основе результатов, полученных для обобщенного эффекта Керкера в одиночных кремниевых частицах, была построена модель метаповерхности, соответствующая близкому к нулю коэффициенту отражения и близкому к единице прохождению. Также, построена полуаналитическая модель метаповерхности, позволяющая оптимизировать геометрию системы с целью получения заданных коэффициентов отражения и пропускания в требуемом диапазоне длин волн. Затем, в соответствии с результатами предыдущих этапов, были получены образцы метаповерхностей на основе кубических кремниевых наночастиц на стеклянной подложке. Произведена характеризация образцов с помощью методов сканирующей электронной микроскопии. Измерены спектры прохождения структуры и сопоставлены с теоретическими спектрами для различных структур. Так, характерной особенностью спектра прохождения метаповерхности является глубокий провал на длине волны 780 нм, а также увеличение до 2 раз прохождения почти во всей дальневолновой области. При сравнении со спектром пропускания стекла, метаповерхность приводит к усилению прохождения во всем рассматриваемом диапазоне длин волн с локальными максимумами на длине волны 780 нм и 1490 нм.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Третий год выполнения проекта представлял собой обобщение всех полученных на предыдущих годах результатов и применение описанных эффектов для создания функциональных устройств. В первую очередь, была исследована возможность конструирования просветляющей поверхности для различных подложек на основе частиц с мультипольными резонансами. Была построена полуаналитическая модель метаповерхности на базе частиц из материала с высоким показателем преломления, работающей как просветляющее покрытие в широком диапазоне длин волн. Были произведены численные расчеты и оптимизация геометрии частиц. Метаповерхность на основе оптимизированных кремниевых наноцилиндров снижает коэффициент отражения от стеклянной подложки во всем оптическом диапазоне более чем в четыре раза, при этом в полосе порядка 300 нм шириной остаточное отражение не превышает 0.5%. Также была разработана диэлектрическая метаповерхность, работающая как светоулавливающее покрытие для тонкопленочной солнечной батареи на основе аморфного кремния с толщиной активного слоя 300 нм. В качестве базовой принималась многослойная светопоглощающая структура, активный слой которой состоит из пластинки аморфного кремния собственной проводимости толщиной 280 нм, а также слоями аморфного допированного кремния p-типа и n-типа. Толщина каждого из этих слоев составляет 10 нм. Дополнительное просветление обеспечивалось с помощью слоя Al:ZnO (далее AZO), позволяющего существенно снизить отражение света на границе кремний/среда. Был проведен ряд симуляций с переменным радиусом частицы (в пределах от 10 до 100 нм) для обнаружения зависимостей и выявления оптимальной конфигурации. Был выбран оптимальный размер частиц, при которых эффект антиотражения максимальный интегрально в оптическом диапазоне. Было показано, что интегральное усиление в диапазоне длин волн 400-800 нм составляет 1.7% для радиуса частиц 10 нм и падает при увеличении размера частицы из-за роста рассеяния вне рабочей зоны солнечной батареи. Другим функциональным устройством на основе диэлектрических частиц была представлена плоская металинза. Был предложен дизайн плоской металинзы на основе кремниевых сферических наночастиц, поддерживающих электрические и магнитные резонансы Ми. Был разработан полностью аналитический метод описания электромагнитных свойств линзы. В то время, как задача для дипольных частиц имеет простое решение в общем виде, для частиц, обладающих квадрупольным откликом было применено борновское приближение. Особый интерес в современной нанофотонике имеют метаповерхности, чьи оптические свойства могут быть управляемы и перестраиваемы за счет внешнего воздействия. Простейшим, однако неисследованным ранее объектом были анизотропные метаповерхности из несимметричных нанообъектов с высоким показателем преломления, поддерживающих мультиполи высоких порядков. Была разработана модель метаповерхности на базе пирамидальных частиц, для которой наблюдается асимметрия оптического отклика при сравнении случая падения со стороны вершины пирамид и со стороны основания пирамид. Был предложен дизайн метаповерхности на основе пирамид, соответствующей идеальному поглотителю на анапольных состояниях для падения с одной стороны и частично отражающей пластинки – с другой, при этом перераспределение энергии составляет порядка 30% от общей энергии падающей волны. Было показано, что мультипольный состав электромагнитного отклика значительно изменяется при изменении способа возбуждения метаповерхности. Была показана поляризационная зависимость свойств метаповерхности на основе пирамид с основанием в виде правильного треугольника. Были даны рекомендации по дизайну поляризационных спектральных переключателей. Для экспериментальной реализации предлагаемых дизайнов метаповерхностей были отработаны методов создания метаповерхностей из кремниевых наночастиц различной формы. Для задач по изучению рассеянного отклика отдельных частиц были изготовлены кремниевые нанокубы со стороной основания 283 нм на стеклянной подложке. Также в рамках работ по данному гранту недавно внедренная технология фемтосекундной лазерной печати, уже отработанная ранее для кремниевых частиц, получила дальнейшее развитие для изготовления кристаллических сферических наночастиц Ge и SiGe. Размер генерируемых наночастиц может варьироваться от 100 до 300 нм в зависимости от энергии лазерного импульса и длины волны. Кристалличность и состав наночастиц подтверждаются данными спектроскопии комбинационного рассеяния. Была произведена характеризация и исследование электромагнитных свойств метаповерхностей для оптического диапазона длин волн. Экспериментальные измерения прохождения и отражения были проведены с помощью микро-спектрометрической установки. Пики пропускания и отражения качественно совпадают с численными предсказаниями. Более высокое прохождение через сфабрикованный образец может быть объяснено более слабым, чем ожидалось, возбуждением электрического квадрупольного момента EQ из-за погрешностей фабрикации и несовершенной формы мета-атомов. Другая часть задачи касалась оптических свойства наночастиц, полученных с помощью метода лазерной печати. Они были изучены при помощи спектроскопии рассеяния частиц, при этом измеренные спектры сравнивались с теорией Ми. Теоретические и экспериментальные графики показывают хорошее качественное и количественное соотношение. Отдельным интересным приложением стало применение диэлектрических частиц в наноплазмонике для управления распространения поверхностыми плазмон-поляритонами. Рассматривался случай рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов на одиночных частицах из кремния на подложке из серебра, поддерживающих электрические и магнитные мультипольные резонансы в видимом спектральном диапазоне. Была построена теоретическая модель, с помощью которой можно найти вклады в поле поверхностного плазмон-поляритона. В рамках данного исследования было установлено, что, как и в случае рассеяния света диэлектрическими наночастицами, взаимное спектральное положение мультиполных резонансов зависит от формы частицы. Был исследован случай рассеяния поверхностного плазмон-поляритона на анапольной частице. Далее, была построена теоретическая модель, описывающая взаимодействие внешних поверхностных плазмон-поляритонов с поверхностными структурами наночастиц, поддерживающих старшие мультиполи вплоть до магнитного квадруполя. В рамках данной модели рассчитывается результирующее электрическое поле поверхностных плазмон-поляритонов в заданной части системы, как интерференция между подающей волной поверхностных плазмон-поляритонов и волнами поверхностных плазмон-поляритонов, генерируемыми всеми дипольными и квадрупольными источниками структуры наночастиц. Было продемонстрировано, что для одиночной конечной цепочки кремниевых наночастиц можно существенно подавить прохождение поверхностных плазмон-поляритонов на частоте магнитного дипольного резонанса. Другой пример функционального устройства, работающий как волновод для поверхностных плазмон-поляритонов в структурах наночастиц, также был продемонстрирован. В завершение данного года работ, были сформулированы дальнейшие рекомендации для проведения экспериментальных исследований в оптическом диапазоне. В заключение заметим, что методы исследования, развитые при выполнении данного проекта, могут иметь очень широкое применение даже в областях, далеких от нанооптики. Так мультипольный анализ был применен для исследования электромагнитных свойств египетской Пирамиды Хеопса. Нами было показано, что Пирамида может фокусировать и концентрировать электромагнитную энергию из радио-диапазона, благодаря резонансному возбуждению ее электромагнитных мультипольных моментов. Данный результат, опубликованный в [M. Balezin, K. V. Baryshnikova, P. Kapitanova, and A. B. Evlyukhin, “Electromagnetic properties of the Great Pyramid: First multipole resonances and energy concentration,” J. Appl. Phys., vol. 124, no. 3, 2018.], нашел большой отклик в научной среде и СМИ. Достаточно упомянуть, что опубликованная статья с момента выхода летом 2018 набрала около 60000 просмотров на сайте журнала, ей посвящено огромное количество сообщений в СМИ по всему миру. Ниже приведены лишь некоторые ссылки на публикации в СМИ, касающиеся данного исследования: https://www.grenzwissenschaft-aktuell.de/grosse-pyramide-von-gizeh-konzentriert-elektromagnetische-energie-in-ihren-kammern20180801/ http://www.tvc.ru/channel/brand/id/30/show/episodes/episode_id/55975 http://rscf.ru/ru/node/3258 https://www.rt.com/news/434723-giza-pyramid-electromagentic-energy/ https://nypost.com/2018/07/31/incredible-discovery-made-inside-great-pyramid-of-giza/ https://www.newsweek.com/ancient-egypt-incredible-electromagnetic-discovery-great-pyramid-gizas-hidden-1049578 https://www.independent.co.uk/news/science/great-pyramid-giza-egypt-electromagnetic-energy-radio-chambers-itmo-university-a8471386.html https://phys.org/news/2018-07-reveals-great-pyramid-giza-focus.html http://news.ifmo.ru/en/science/photonics/news/7731/ https://www.express.co.uk/travel/articles/996924/great-pyramid-of-giza-secret-mystery-egypt-hidden-chamber-electromagnetic-energy http://www.perfectedition.win/scientists-find-the-great-pyramid-of-giza-focuses-electromagnetic-energy/ http://identity-mag.com/scientists-unleash-more-secrets-within-the-pyramids/ https://news.sky.com/story/great-pyramid-of-giza-can-focus-pockets-of-energy-in-its-chamber-scientists-say-11455429 https://m.dailyhunt.in/news/india/english/millennium+post-epaper-millpost/great+pyramid+of+giza+can+focus+electromagnetic+energy-newsid-93594607 https://uk.news.yahoo.com/great-pyramid-can-concentrate-electromagnetic-energy-new-study-finds-114839639.html