Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Были исследованы свойства плазменных возбуждений в новых двумерных электронных системах на базе квантовых ям AlAs, ZnO и GaN. В рамках проекта методом микроволновой плазменной спектроскопии были проведены исследования свойств плазменных возбуждений в новых двумерных электронных система (ДЭС) на основе гетероструктур AlAs, ZnO и GaN, обладающих рядом уникальных физических свойств: большой шириной запрещенной зоны, анизотропией эффективной массы, многодолинностью. Нами впервые были определены значения эффективных масс двумерных электронов в квантовых ямах AlAs: ml = (1.10 ± 0.05)m0 и mtr = (0.20 ± 0.01)m0. Для исследований плазменных возбуждений в структурах с гетероструктурами ZnO/MgZnO использовался метод оптического детектирования микроволнового резонансного поглощения. Была измерена полуширина плазменных резонансов, которая составляла ∆f = 5 ГГц. В пределе сильных магнитных полей из наклона дисперсии объемной моды было получено значение циклотронной массы mc ≈ 0.317m0 для концентрации ns = 3.7 • 1011 см−2. Была исследована зависимость эффективной массы от электронной концентрации для серии образцов. Кроме того, нами были изучены плазменные возбуждения в гетеропереходе GaN/AlGaN. Из наклона магнитодисперсии было получено значение эффективной массы электронов mc = 0.2m0. Из анализа линии циклонной магнитоплазменной моды была определена ширина плазменного резонанса ∆f = 60 ГГц. 2. Были изготовлены матрицы детекторов терагерцового излучения на основе квантовых ям AlAs, ZnO и GaN и исследованы их характеристики по чувствительности и быстродействию. Один из наиболее продуктивных подходов детектирования электромагнитного излучения суб-ТГц частотного диапазона основывается на возбуждении плазменных колебаний двумерной электронной системы с их последующей ректификацией. Такой тип детекторов имеет ряд преимуществ, а именно: высокое быстродействие, низкая себестоимость и большой потенциал по масштабированию. Ранее коллективом исполнителей проекта был реализован такой плазменный детектор на базе высокоподвижной GaAs/AlGaAs гетероструктуры и была продемонстрирована возможность организовать детекторы такой архитектуры в многопиксельные массивы чувствительных элементов. С целью определения свойств аналогичных плазмонных детекторов, изготовленных на других полупроводниковых материалах, мы использовали квантовые ямы AlAs, ZnO и GaN. В результате проведенных исследований было установлено, что быстродействие плазменных детекторов терагерцового излучения, изготовленных на основе квантовых ям AlAs, ZnO и GaN составляет 110 – 190 пс, что близко подходит по быстродействию, полученному в структурах GaAs/AlGaAs. Аналогичный вывод был сделан и для параметров чувствительности плазменных приемников субтерагерцового излучения: все структуры, изготовленные на основе квантовых ям AlAs, ZnO и GaN, имели чувствительность близкую с структурам GaAs/AlGaAs. В диапазоне частот 100 – 500 ГГц характерная чувствительность всех приемников составляла около (100 – 500) пВт/Гц1/2. 3. Был изготовлен прототип досмотровой терагерцовой системы безопасности на базе многопиксельной матрицы детекторов и субтерагерцовых генераторов. В ходе реализации данного проекта был разработан и изготовлен прототип модульной, легко развертываемой и простой в использовании системы досмотра почтовых отправлений с высокой пропускной способностью. Были исследованы основные характеристики данного прототипа, а именно – его поле зрения, разрешающая способность, а также быстродействие. Работоспособность созданного прототипа была протестирована на реальных объектах. Так, с помощью досмотровой системы удалось обнаружить спрятанные в почтовых отправлениях потенциально опасные предметы: холодное оружие, муляж взрывного устройства, пакетики с порошком. Прототип был изготовлен на базе 256-пиксельной камеры, размещенной внутри конвейера, и лавинно-пролетного диода в качестве генератора излучения с частотой 96 ГГц. Камера состоит из линейного массива чувствительных элементов – детекторов суб-ТГц излучения и системы их опроса. Быстродействие камеры ограничивалось скоростью работы системы опроса и составляло 5 кГц, что соответствует линейной скорости конвейерного полотна в 15 м/с. В качестве источника электромагнитного излучения суб-ТГц излучения использовался лавинно-пролетный диод. Частота генерируемого излучения составляла 96 ГГц, а мощность - 80 мВт. Прототип также был протестирован на реальных объектах. Было показано, что с помощью изготовленного прототипа можно идентифицировать различные потенциально опасные предметы: муляж взрывного устройства, холодное оружие, порошки. 4. В системе двумерных электронов с рекордно высокой проводимостью на порядки превышающей скорость света, были исследованы физические свойства двумерных плазменных возбуждений в условиях сверхсильного запаздывания. В системе двумерных электронов на базе GaAs/AlGaAs и ZnO/MgZnO наноструктур с рекордно большой проводимостью, на порядки превышающей скорость света, было проведено наблюдение и исследование физических свойств различных типов двумерных плазменных возбуждений в условиях сверхсильного запаздывания. Большинство исследуемых структур представляли собой одиночные диски ДЭС с различными диаметрами 0.1 - 12 мм. Измерения на серии одиночных дисков ДЭС показали, что при увеличении размера диска от 0.1 до 12 мм сильно усиливается влияние эффектов запаздывания. При этом плазмонный резонанс испытывает значительное сужение даже при небольшой гибридизации со светом. Оказалось, что затухание плазменного возбуждения при увеличении запаздывания подчиняется универсальному закону, который не зависит от качества структуры и параметров двумерной электронной системы. На основании электродинамических уравнений Максвелла, нами была разработана теория, которая описывает затухание плазмон-поляритонов в ДЭС с бесконечными латеральными размерами. Сравнение с проведенными экспериментами показало, что полуширина плазмон-поляритонного резонанса претерпевает гораздо большее уменьшение, нежели предсказывает теория. Обнаруженные эффекты запаздывания и аномального сужения плазменных резонансов обеспечивают функционирование плазменных детекторов при комнатной температуре. 5. Были разработаны широкополосные плазменные детекторы, в которых подавлены эффекты интерференции на толщине подложки. Принцип работы плазменных детекторов излучения суб-ТГц частотного диапазона основывается на возбуждении в двумерной электронной системе плазменных колебаний при поглощении электромагнитного излучения, переменный потенциал которых впоследствии выпрямляется на различных неоднородностях электронной системы. Частотная зависимость чувствительности таких детекторов зависит не только от характеристик планарной антенной структуры, используемой для эффективного возбуждения плазмонов, но и от толщины подложки детекторов. В рамках данного проекта было изучено положение таких минимумов и максимумов по частоте в зависимости от толщины подложки и было обнаружено, что положение максимумов по частоте линейно зависит от обратной толщины подложки и хорошо описывается формулой, описывающей условия конструктивной интерференции на толщине подложки. Для подавления эффектов интерференции детектор был закреплен непосредственно на гиперсферическую кремниевую линзу. Фокусное расстояние линзы было подобрано так, чтобы параллельный пучок излучения, падающий на нее, фокусировался непосредственно на чувствительную область детектора. Экспериментально измеренная чувствительность такого детектора представляла собой монотонную функцию частоты без выраженных минимумов. Таким образом, установка детектора на линзу, которая в такой геометрии, фактически, играла роль полубесконечной подложки, привела к почти полному подавлению эффектов интерференции. 6. С целью создания субтерагерцового генератора нового типа был исследован переход к автоколебаниям в поляритонной системе. Автоколебания в резонансно возбуждаемом конденсате экситонных поляритонов - нетривиальный эффект, предсказанный относительно недавно. Целью настоящего этапа был переход от первых численных оценок к систематическому изучению процесса автоколебаний в поляритонной системе. Численный анализ эволюции поляритонной системы был проводился в приближении среднего поля путем решения уравнений Гросса-Питаевского с когерентным внешним источником. Асимптотическая устойчивость состояний поляритонного конденсата была исследована аналитически в линейном приближении по амплитудам надконденсатных мод. Экспериментальное исследование свойств бистабильной поляритонной системы при сочетании слабой оптической накачки и коротких акустических импульсов показало, что малое и обратимое во времени акустическое возмущение энергии экситона может вызывать переход системы с нижней на верхнюю ветвь бистабильно-оптического отклика, сопровождающийся десятикратным увеличением амплитуды поляритонного конденсата и соответственным синим сдвигом его эффективного резонансного уровня. Согласие экспериментальных результатов с предсказаниями, сделанными в рамках приближения среднего поля, подтвердило самосогласованность теории и ее применимость для описания свойств поляритонов в условиях резонансно-оптического возбуждения. Полученные результаты могут быть использованы для создания терагерцовых генераторов нового типа. 7. Был разработан новый мета-материал, обеспечивающий гигантское усиление рамановского сигнала в видимой и инфракрасной области спектра. Были реализованы и исследованы свойства периодических диэлектрических структур, покрытых толстым слоем металла, которые позволяют усиливать сигнал неупругого рассеяния света более чем на девять порядков при длине волны лазерного возбуждения 1064 нм. Обнаружены две моды гигантского резонансного усиления рамановского сигнала, связанные с различным диэлектрическим окружением металлической пленки. Изучены параметры периодических структур, при которых наблюдается абсолютный максимум резонансного усиления. Показано, что этот режим реализуется при выполнении четырех условий: (а) период структуры должен быть приблизительно равен длине волны лазерного возбуждения; (б) отношение планарного размера столбика к периоду должно быть около 0.42; (в) высота диэлектрических столбиков должна быть около 300 нм; (г) толщина закрывающего слоя сереба должна быть около 40 нм. Установлено, что в местах, где присутствовали периодические диэлектрические структуры с толстым металлическим покрытием, наблюдалось гигантское усиление рамановского рассеяния, причем коэффициент усиления зависел от геометрических параметров периодической структуры и от длины волны лазерного излучения и достигал значений вплоть до нескольких триллионов раз. 8. Был разработан и изготовлен прототип неселективного газоанализатора на основе рамановского рассеяния с использованием полых световодов. В 2019 году нами был разработан, изготовлен и испытан портативный газоанализатор на основе рамановского рассеяния с использованием полых фотонно-кристаллических световодов. Реализована конструкция, позволяющая более чем на два порядка повысить уровень сигнала неупругого рассеяния света на различных газовых смесях, по сравнению с сигналом c открытого объема газа. Предложены варианты дальнейшего увеличения чувствительности системы, что позволит использовать ее для онлайн-мониторинга состава газовых смесей с концентрацией компонентов до 100ppb. Экспериментальная установка для измерения спектров неупругого рассеяния на газовых смесях создана на основе разработанного нами рамановского спектрометра EnSpectr R532, реализованного в конфигурации Черни-Тернера со светосилой А=1/6, разрешением 4см-1, длиной волны лазерного источника 532нм и выходной мощностью ~15мВт. В оптоволокне абсолютное усиление сигнала составило ~200 раз, что вычислялось по отношению интенсивностей однотипных рамановских пиков (кислород и азот в атмосферном воздухе) в сравнении с открытой оптической схемой. 9. Была разработана методика выявления опасных органических ядов и токсинов. На специально разработанных и оптимизированных SERS-подложках были изучены адсорбционные свойства белковых веществ, наиболее часто употребляемых в качестве биологических агентов в классическом иммунном анализе. Показано, что при адсорбционном взаимодействии белка и SERS-поверхности действуют закономерности, описанные в классической адсорбционной теории. Из полученных данных следует, что при достижении равновесного состояния белки являются необратимо адсорбированными на поверхности SERS-подложек. Интерпретация кинетических кривых адсорбции хорошо коррелирует с данными по десорбции белков. В момент времени, когда еще не достигнута точка локального максимума, существенная часть белковых молекул адсорбирована обратимо, а после достижения равновесного состояния практически все молекулы переходят в необратимо связанное состояния. Разработанные биосенсоры уже сейчас позволяют эффективно решать задачи по высокочувствительному и быстрому детектированию белковых молекул (например, опасных органических ядов и токсинов) и обеспечивают высокую селективность метода детектирования.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Задача 1. В результате работ по гранту нами было исследовано влияние заполнения долин на свойства плазменных возбуждений в широких квантовых ямах AlAs. Эксперименты проводились на гетероструктурах AlAs/AlGaAs с шириной квантовой ямы 15 нм, в которой электроны заполняют две внутриплоскостные Xx и Xy долины. Вследствие остаточной деформации в плоскости квантовой ямы, вырождение между долинами Xx и Xy снимается и между ними образуется энергетическая щель. В работах над проектом было установлено, что спектр плазменных возбуждений крайне чувствителен к распределению носителей заряда между долинами. Оказалось, что по значениям плазменных частот можно однозначно определить концентрацию электронов в каждой из долин. Для этого коллектив электронов в изучаемой двухдолинной системе был рассмотрен с позиций динамики двухкомпонентной плазмы. Для измерения спектра плазменных возбуждений была разработана особая копланарная методика детектирования плазменных резонансов. Для этого на поверхности образца методом фотолитографии был изготовлен копланарный волновод. В каждой из щелей копланарного волновода были изготовлены по три равноудаленных диска ДЭС. Экспериментальная методика наблюдения плазменных резонансов была основана на поглощении микроволнового излучения, проходящего через копланарный волновод. Резонансное поглощение микроволнового сигнала происходит всякий раз, когда в дисках возбуждается стоячая плазменная волна. В экспериментах было обнаружено, что естественная анизотропия энергетического спектра электронов в AlAs приводит к образованию частотной щели между циклотронной и краевой магнитоплазменными модами. Причем величина щели однозначно связана с величиной энергетического расщепления между Xx и Xy долинами. Задача 2. Акустические волны – продольные волны с линейным законом дисперсии – играют особую роль в природе. В двумерных электронных системах продольная волна зарядовой плотности – двумерный плазмон, – как правило, обладает корневым законом дисперсии и не является акустической. Однако существуют два важных исключения, когда для плазмонов в ДЭС реализуется линейный закон дисперсии, и они являются акустическими. Во-первых, это так называемый одномерный плазмон, реализующийся в ДЭС в форме вытянутой полоски. Во-вторых, это плазмоны в ДЭС, экранированной металлическим затвором. Для акустических плазмонов в ДЭС очень интересной задачей является изучение влияния эффектов запаздывания. Эти эффекты ярко проявляются, когда скорость плазмонов становится сравнимой со скоростью света. Эффекты запаздывания существенно модифицируют спектр и магнитодисперсию плазменных волн в ДЭС. Также гибридизация плазмонов со светом за счёт эффектов запаздывания приводит к сужению линии получающегося гибридного плазмон-поляритонного резонанса. Это позволяет создавать новые плазмон-поляритонные устройства, работающие при температурах вплоть до комнатной. В ходе работы по проекту нами было экспериментально продемонстрировано, что закон дисперсии акустических плазмонов в условиях сильного запаздывания сохраняет линейный вид. Это является характерным признаком случая сильного экранирования. Установлено, что плазменная частота акустических плазмонов в нулевом магнитном поле подвергается значительному смягчению из-за влияния релятивистских эффектов запаздывания. Закон магнитодисперсии этих волн также претерпевает изменения по сравнению с нерелятивистским случаем, что соответствует перенормировке эффективной циклотронной частоты. Нам удалось экспериментально показать, что оба этих эффекта точно описываются перенормировкой единственного параметра – эффективной массы двумерных электронов. Задача 3. Создание досмотровой системы безопасности, созданной на базе матрицы чувствительных к субтерагерцовому излучению элементов, представляет собой крайне актуальную задачу. Дело в том, что в данном частотном диапазоне большинство тканей, пластиков и других элементов одежды становится прозрачным, в то время как большинство опасных и запрещенных к провозу предметов содержат в своем составе металл или керамику, эффективно отражающих электромагнитное излучение данного частотного диапазона. Кроме того, используемое электромагнитное излучение является неионизирующим по своей природе, а значит, при относительно невысоких уровнях мощности излучения (именно такие и будут использованы в рамках данного проекта) оно абсолютно безопасно как для людей, так и для всевозможных электротехнических товаров бытового использования. В рамках данного проекта мы разработали досмотровую систему безопасности, состоящую из уникальных матриц детекторов, работающих на частоте около 100 ГГц, набора из шести самодельных лавинно-проходных диодов, используемых в качестве источников излучения, а также линз-коллиматоров и линзы с большой апертурой, используемой в качестве объектива. Электромагнитное излучение, выходящее из рупорной антенны каждого диода, проходит через коллиматорную линзу, при этом формируется пучок с таким углом расходимости, чтобы вся совокупность диодов эффективно засвечивала поле зрения (примерно 1x2 м). Типичная частота диодов составляла 96+-1ГГц, а мощность лежала в диапазоне от 75 до 85 мВт. Излучение, отраженное от предмета в поле зрения объектива, собиралось объективной линзой. Линза при этом формировала изображение на матрице детекторов. В результате работ по проекту нами были разработаны и реализованы реальные досмотровые системы, которые уже активно используются как в РФ, так и по всему миру. Задача 4. Количество влаги, содержащееся в растениях, является одним из ключевых параметров, которые следует контролировать на всех этапах выращивания сельскохозяйственных культур. Действительно, недостаточный полив растений, как правило, приводит к значительному уменьшению урожайности, а также к ухудшению качества урожая. Достаточность полива растений удобно контролировать по содержанию влаги в листьях растений. В рамках проведенных исследований для определения влажности листьев было предложено измерять их коэффициент пропускания в субтерагерцовом частотном диапазоне. Для измерения коэффициента пропускания листьев в субтерагерцовом частотном диапазоне была собрана экспериментальная установка, состоящая из источника излучения, оптической схемы и камеры, представляющей собой массив чувствительных плазменных детекторов излучения. В качестве источника излучения использовался изготовленный нами лавинно-пролётный диод, при этом мощность и частота излучения составляла 80 мВт и 96 ГГц. Отметим, что выбранная частота соответствует одному из окон прозрачности атмосферы, а значит, излучение такой частоты может распространяться в атмосфере на достаточно большие расстояния. Камера, изготовленная по технологии, разработанной в рамках работы по этому проекту, состояла из квадратного массива 32 x 32 чувствительных элементов, расположенных с периодом 1.5 мм. Камера передавала показания каждого детектора на компьютер в режиме реального времени, так что мы имели возможность отслеживать не только пространственную вариацию прошедшего через лист излучения, но и временную эволюцию такого распределения. Полученные результаты полностью обосновывают применимость предложенного подхода. Одним из наиболее значимых достоинств, использованной в рамках данного проекта методики, оказалась возможность изучения не только временной эволюции влажности в растениях, но и ее пространственное распределение. Задача 5. Результатом выполнения проекта стал прототип терагерцового томографа, в котором используется узкополосный источник терагерцового излучения с перестраиваемой частотой, а также матричный детектор терагерцового излучения на стороне приема. Громоздкие системы механического сканирования опорного зеркала в предлагаемом устройстве заменяются на электронную перестройку частоты. Узкополосный источник электромагнитного излучения с перестраиваемой частотой, находящийся в составе томографа, посылает излучение на полупрозрачное зеркало интерферометра Майкельсона, которое раздваивает излучение на два пучка. Один пучок направляется на опорный отражатель, другой пучок направляется на исследуемый объект. Оба пучка после отражения собираются на том же полупрозрачном зеркале, где происходит интерференция и переотражение излучения в измерительное плечо, где находится матричный приемник излучения, подключенный к компьютеру с программным обеспечением для формирования и анализа изображений. Устройство позволяет восстанавливать объемное трехмерное изображение исследуемого объекта в терагерцовом частотном диапазоне. При этом используются алгоритмы когерентной оптической томографии. Использование матричного приемника и замена механического сканирования на электронную перестройку частоты позволяет значительно уменьшить время получения объемного изображения объекта, а также упростить конструкции томографа за счет устранения подвижных частей. По материалам данной работы была отправлена патентная заявка «Устройство для получения объемного терагерцового изображения на основе когерентной томографии». Задача 6. Нелинейные экситон-поляритоны с расщеплением Раби 27 мэВ сформировано посредством смешения оптического связанного состояния в континууме (BIC) в пластине фотонного кристалла с экситонами в атомарно тонком полупроводнике MoSe2. Благодаря асимптотическому подавлению поляритонного излучения в дальнем поле, обусловленному BIC, и эффективному уменьшению экситонного беспорядка за счет динамического сужения реализована ширина поляритонной линии, меньше чем 3 мэВ, что позволило обеспечить усиление поляритон-поляритонных взаимодействий и результирующих нелинейных оптических эффектов. Показано, что поляритоны на основе BIC могут обеспечить контролируемые и быстрые нелинейные оптические отклики в фотонно-кристаллических системах и открыть новый путь для разработки активных и нелинейных полностью оптических встроенных устройств. Найдено, что в резонансно возбуждаемой поляритонной системе потеря устойчивости с уменьшением внешнего поля имеет характер фазового перехода второго рода и происходит непрерывным образом по аналогии с бифуркацией Хопфа, когда в пороговой точке стационарное решение превращается в предельный цикл (автоколебания) бесконечно малой амплитуды, увеличивающейся по мере дальнейшего изменения управляющего параметра. Изменяя амплитуду или частоту внешнего поля на масштабе десятков пикосекунд, можно переходить от стационарных к автоколебательным состояниям конденсата, что может найти применение в области кодирования информации, передаваемой непрерывным оптическим сигналом. Задача 7. Одна из важнейших задач бионанотехнологии заключается в разработке стабильных и дешевых SERS-активных наноструктур, работающих в ближней ИК-области (длина волны 1000 нм - 1500 нм) и имеющих максимальное усиление рамановского сигнала. Для решения этой задачи нами исследованы свойства периодических диэлектрических структур, покрытых толстым слоем металла, которые позволяют усиливать сигнал неупругого рассеяния света более чем на восемь порядков при длине волны лазерного возбуждения 1064 нм. Показано, что гигантское резонансное усиление рамановского сигнала в ближней ИК-области спектра, помимо дополнительно усиленного плазменного резонанса, обеспечивается также геометрическим резонансом между размерами диэлектрической структуры и длиной волны лазерного излучения. Изучена зависимость коэффициента усиления рамановского рассеяния света от высоты столбиков в периодических диэлектрических структурах, а также зависимость усиления от толщины слоя металлического покрытия. Обнаружены новые резонансные моды, для которых высота диэлектрических столбиков равна 1/4, 1/2 и 3/4 длины волны лазерного излучения. Показано, что в ближней ИК-области спектра могут быть достигнуты рекордно большие коэффициенты усиления рамановского рассеяния света, что связано также с высокой добротностью плазменных волн в металлах при этих частотах. Задача 8. Разработана новая методика экспресс-количественного измерения состава газовых смесей на примере природного газа с помощью компактного рамановского спектрометра, сопряженного с полым фотонно-кристаллическим оптоволокном и системой газонаполнения. Создан рабочий макет компактного рамановского анализатора, включающий рамамановский спектрометр (EnSpectr), полый фотонно-кристаллический световод типа Кагома (GLO photonics), систему оптического сопряжения и газового наполнения. Точность количественного анализа компонентного состава сопоставима с точностью газовой хроматографии, но время анализа намного короче (порядка нескольких секунд), а результаты обрабатываются автоматически. Предлагаемая методика газового анализа наиболее перспективна как новый экспресс-метод количественного контроля состава природного газа и производных смесей. Данный метод также подойдет для онлайн экологического мониторинга. Предел обнаружения этана и пропана в данной системе можно оценить примерно в 300 ppm, что в 20 раз превышает чувствительность, которая была достигнута ранее рамановским методом. Данный метод анализа универсален для многоатомных газов, включая органические и неорганические, в том числе неактивные в ИК-поглощении (водород, кислород, азлот, хлор, фтор). Предел обнаружения бутана оценивается как близкий к пределам обнаружения этана и пропана. Точность количественного определения компонент газовых смесей данной системой составляет 0.5-1%, а предел обнаружения - 0.01%. Количество потенциально выявляемых компонент смеси данным методом неограниченно. Предложен способ дальнейшего повышения чувствительности метода. Работа открывает возможность для создания автоматизированных программно-аппаратных комплексов для контроля качества газа при атмосферном и высоком давлении, а также для мониторинга процессов разделения и переработки газа. Задача 9. В периодических СЕРС-структурах, состоящих из диэлектрических столбиков, покрытых толстым слоем металла, исследована зависимость коэффициента СЕРС-усиления от числа столбиков при различных длинах волн лазера. Обнаружено, что в пределе, когда размер лазерного пятна возбуждения значительно меньше размера СЕРС-структуры, наблюдается огромный рост СЕРС-усиления при увеличении размера структуры, который насыщается при достижении определенного размера. Показано, что этот коллективный эффект связан с вкладом распространяющихся плазмон-поляритонных мод, а размер, при котором происходит насыщение СЕРС-усиления позволяет определить длину пробега поверхностных плазменных волн. Установлено, что длина пробега плазмонов существенно зависит от длины волны лазерного возбуждения, а также от толщины металлического покрытия. Измерены длины пробегов плазмон-поляритонных мод в серебре и в золоте при динах волн лазера 1064 нм и 532 нм. Установлено, что в случае толстых пленок серебра длина пробега плазменных волн, измеренная при длине волны 1064 нм, может превышать 100 микрон, в то время как в толстых золотых пленках длина пробега плазмонов при длине волы 1064 нм значительно меньше, чем в серебре и составляет 25-30 микрон. Показано, что использование коллективного плазмон-поляритонного эффекта позволяет на порядки увеличить эффект СЕРС-усиления особенно в ИК-области спектра. Этот прием позволяет надеяться использовать СЕРС-метод для проведения быстрого анализа и обнаружения бактерий, вирусов, токсинов и других биологических молекулярных структур, опасных для человека. На основе поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (СЕРС) нами были разработаны и аппробированы функционализированные аптамерами наночастицы серебра, которые были использованы в качестве SERS-субстратов для селективного детектирования белков и обнаружения наперед заданных вирусов, включая вирусы гриппа, а также нового вируса COVID-19. В частности нами разработаны методы количественного определения белков, рекомбинантного тромбина и гемагглютинина в составе вирусных частиц гриппа А, на основе эффекта SERS, возникающего на агрегатах наночастиц серебра, модифицированных аптамерами к тромбину и гемагглютинину, соответственно.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с исходным четырехлетним планом исследований в 2021 году мы получили следующие конкретные результаты: 1. Экспериментально обнаружены «сверхсветовые» электромагнитные двумерные плазменные волны в электромагнитном отклике высококачественной двумерной электронной системы в квантовой яме GaAs/AlGaAs, находящейся на диэлектрической подложке. Исследован спектр таких «сверхсветовых» плазменных волн на образцах с разной электронной плотностью. Установлено, что при больших плотностях двумерных электронов наблюдается сильная гибридизация между плазменными модами и световыми модами Фабри-Перо. Показано, что в присутствии перпендикулярного магнитного поля плазменный резонанс расщепляется на две моды, каждая из которых соответствует определенному направлению круговой поляризации. Результаты экспериментов хорошо согласуются с теорией. 2. Исследована электродинамика двумерной электронной системы, имеющей форму диска, в окрестности которой присутствует экранирующий металлический затвор. Двумерные плазмоны в исследуемой системе обладают линейной дисперсией, что является важной характеристикой акустических плазменных волн. Мы экспериментально реализовали предел, когда скорость акустической плазменной волны приближается к скорости света. Обнаружено, что эффекты запаздывания приводят к сильной связи между акустическими плазмонами и светом, что проявляется в перенормировке эффективной массы электрона, которая входит в плазменную частоту. Развита теория, которая хорошо описывает наблюдаемые явления. Исследованы свойства плазменных возбуждений в частично экранированных металлическими электродами двумерных электронных системах на базе гетероструктур AlGaAs/GaAs. Установлено, что в таких системах возбуждается особый тип двумерных плазменных волн – проксимити плазмон (proximity plasmon). Экспериментально установлено, что плазменные волны данного семейства обладают целым рядом новых физических свойств. Во-первых, оказалось, что дисперсия частично экранированных плазмонов сочетает характерные черты как экранированного, так и неэкранированного двумерных плазмонов. Во-вторых, у обнаруженной проксимити моды отсутствует краевая ветвь в магнитодисперсии. Наконец, оказалось, что в случае если затвор соединен с двумерной системой внешней цепью, то в системе возбуждается “заряженная” релятивистская плазменная мода с целым рядом уникальных свойств. Полученные новые результаты расширяют горизонт возможных приложений плазмоники в области СВЧ и терагерцовой электроники. Исследован спектр двумерных плазмон-поляритонов в широком диапазоне магнитных полей. Исследование проводилось на системе двумерных электронов с металлическим затвором на обратной стороне подложки. Показано, что в зависимости от величины магнитного поля 2D плазмон-поляритоны гибридизуются с TM0 фотонной модой диэлектрического волновода, образованного образцом и подложкой. Обнаруженные экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии с разработанной теорией. 3. Разработана и охарактеризована система линейного сканирования, использующая излучение на фиксированной длине волны 280 ГГц. Система включает линейный массив детекторов, уникальный принцип действия которых основан на преобразовании субтерагерцовых электромагнитных волн в плазменные волны, генератор излучения с частотой 280 ГГц, представляющий собой кремниевый лавино-пролетный диод, соединенный с умножителем частоты, а также оптическую систему. Проведенные исследования позволили нам оценить пространственное разрешение системы, которое достигает величины 2,3 мм, а также определить динамический диапазон системы детекторов, составляющее около 200. Возможности сканирования и быстродействие системы безопасности были продемонстрированы в реальных случаях неразрушающего контроля, а также для обнаружения скрытых предметов, что требуется для досмотровых систем безопасности. 4. Разработан прототип линейной сканирующей системы, работающей сразу на нескольких частотах субтерагерцового излучения. Созданный прототип позволяет не только определять наличие или отсутствие дефектов в изделиях или запрещенных веществ в багаже или почтовых отправлениях, но также и дифференцировать различные вещества друг от друга. Продемонстрирована работоспособность системы на примере крайне важной практической задачи по идентификации черных пластиков с целью их последующей сортировки и переработки. Это актуальная и интересная задача, поскольку при совместной переработке пластиков разного сорта, итоговый материал значительно ухудшается по механическим свойствам. 5. Изучен микроволновый отклик новейших материалов (таких как ZnO/MgZnO и GaN/AlGaN гетеропереходов, AlAs-квантовых ям) в малых магнитных полях бесконтактным способом. Основной принцип детектирования заключался в измерении сигнала пропускания в радиочастотном диапазоне (f ∼ 50 МГц) между двумя T-образными антеннами, емкостно связанными с двумерной электронной системой. При воздействии на образец возбуждающим микроволновым излучением F = 60−140 ГГц в малых магнитных полях в высокочастотной проводимости хорошо разрешались не менее 3-х осцилляций. Амплитуда первой осцилляции была сопоставима по амплитуде с осцилляциями Шубникова–де Гааза в больших магнитных полях. Существенным преимуществом данного метода является отсутствие омических контактов или нанесенной металлизации на поверхность образца, что дает дополнительную информацию для понимания природы происхождения данного явления. 6. Теоретически и экспериментально исследована зависимость интенсивности комбинационного рассеяния света на органических молекулах, нанесенных на одномерные диэлектрические полоски, покрытые толстым слоем металла, от высоты диэлектрических полосок. Обнаружены осцилляции интенсивности комбинационного рассеяния света в зависимости от высоты полосок в метаструктурах и показано, что эти осцилляции явно связаны с эффектом типа Фабри-Перо. Установлено, что интенсивность поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света может быть дополнительно усилена за счет эффекта типа Фабри-Перо (более, чем на порядок) либо на входном, либо на выходном резонансах, либо на обоих резонансах. Обнаруженное дополнительное усиление возникает за счет связи поверхностных плазмон-поляритонов на верхней и нижней металлических частях решетки через вертикальные резонансы Фабри-Перо над их средней диэлектрической частью. Предложена аналитическая одномодовая модель для качественного описания эффекта. Исследована зависимость эффективности гигантского усиления рамановского рассеяния от длины волны возбуждения в диапазоне 0.5 – 1.5 микрона. Показано, что по мере увеличения длины волны лазерной накачки в указанном диапазоне, значительно растет добротность плазменных волн (для серебра от 30 до 7000, а для золота – 10 до 2000) и, как следствие на порядки увеличивается коэффициент SERS-усиления при переходе от длины волны 500 нм к 1500 нм. Обнаружено, что длина пробега плазмонов значительно увеличивается при переходе от видимой области спектра к области ближнего ИК и в случае серебра при длинах волн 1064 нм длина пробега плазмонов достигает 300 микрон. Показано, что увеличение длины волны лазерного излучения до 1 - 1.5 микрона позволяет создавать методом оптической литографии дешевые SERS подложки, что обеспечивает широкое применения методов рамановской спектроскопии с гигантским усилением сигнала рассеяния, например, в медицине. 7. В плазмон-диэлектрических структурах, специально оптимизированных для получения максимального усиления рамановского рассеяния света в ИК-области спектра (для лазера 1064 нм коэффициент SERS-усиления составляет 108), исследованы зависимости интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент спектра рассеяния от мощности лазера. Обнаружено, что интенсивность антистоксового канала рассеяния растет экспоненциально после некоторого порогового значения мощности, в то время как интенсивность стоксового рассеяния демонстрирует линейное поведение от мощности накачки. Установлено, что при больших мощностях лазерной накачки интенсивности стоксовой и антистоксовой компонент рамановского рассеяния света оказываются близки. Показано, что значение пороговой мощности зависит от концентрации органических молекул, нанесенных на SERS-структуру. Обнаруженное поведение интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент спектра рамановского рассеяния указывает на важность вынужденного (стимулированного, когерентного) механизма рассеяния света в SERS-структурах и на макроскопическое заполнение возбужденных состояний молекул в условиях гигантского усиления рамановского рассеяния. Обнаруженное гигантское усиление сигнала рамановского рассеяния в антистоксовой компоненте позволяет создавать дешевые рамановские приборы с SERS усилением, работающие на лазерах 1064 нм и даже на 1550 нм в антистоксе, поскольку в стоксовом канале рассеяния полностью отсутствуют чувствительные и дешевые матрицы детекторов. 8. Разработана система автоматического онлайн мониторинга количественного состава газовых смесей на основе рамановского спектрометра, полого световода, автоматизированной системы газонаполнения, управляющего модуля, компьютера и специализированного программного обеспечения. Исследованы возможности использовать эффект поверхностно усиленного рамановского рассеяния света для увеличения полезного сигнала в газовых анализаторах, работающих на эффекте неупругого рассеяния света. Обнаружено, что поверхностно усиленное рамановское рассеяние в газах не так селективно, как в жидкостях, что позволяет разработать портативный газовый экспресс анализатор на основе волновода с поверхностным усилением. Коэффициент усиления комбинационного рассеяния света в таком устройстве сравнивается количественно с объемным рамановским резонатором Кагоме. Коэффициент усиления комбинационного рассеяния света в полости негладкой металлизированной трубки значительно увеличивается за счет многократного отражения от стенок накачивающего и рассеянного световых лучей. Мы сравниваем интенсивность сигнала рамановского рассеяния света на газах, присутствующих в атмосфере, и определяем коэффициент усиления рассеяния в негладкой металлизированной трубке по сравнению со случаем зеркальной трубки. Для оперативного мониторинга газа в полевых условиях волноводный резонатор с усиленным комбинационным рассеянием света был объединен с портативным спектрометром. Показано, что экспресс-газоанализатор с активным поверхностным волноводным резонатором с усиленным комбинационным рассеянием значительно превосходит аналогичные традиционные технология в скорости и стабильности измерения. 9. Разработаны плазмонные фотонно-кристаллические структуры для излучателя эллиптически поляризованного света, разветвителей циркулярно поляризованных компонент нормально падающего света и TE и TM мод в противоположных направлениях. Детально исследованы переходы между регулярным и хаотическим режимами автоколебаний электромагнитного поля в экситон-поляритонном микростолбике с расщеплением ортогонально поляризованных собственных состояний. В частности, исследована асимптотическая устойчивость автоколебаний и обнаружены переходные динамические режимы между самоподдерживающимися регулярными колебаниями и динамическим хаосом. 10. Разработан метод детектирования разнообразных инфекционных агентов, основанный на рамановской спектроскопии, который использует SERS-активные субстраты, а также молекулярные элементы, распознающие белковые токсины и поверхностные белки разных вирусов и бактерий. Во время неутихающей пандемии COVID-19 разработка чувствительных экспресс - методов обнаружения респираторных вирусов приобрела жизненно важное значение. Рамановская спектроскопия с гигантским усилением сигнала за счет плазмонного SERS-эффекта является одним из наиболее многообещающих методов для скринингового анализа из-за его высокой чувствительности, недорогого оборудования и простой подготовки образца. Кроме этого, SERS-наноструктуры, модифицированные узнавающими элементами - ДНК-аптамерами, могут быть использованы для создания высокоспецифичных оптических биосенсоров. Существующие на сегодняшний день биосенсоры непригодны для быстрого количественного обнаружения вирусов, поскольку имеют сложную и дорогостоящую реализацию, а также низкий уровень селективности. Мы разработали новый SERS-аптасенсор (DOI:10.3390/nano11061394), который сочетает в себе быстроту детектирования, а также специфичность при количественном определении вируса SARS-CoV-2. В результате, нами был создан компактный и дешевый рамановский прибор, который на основе нового SERS-аптасенсора, позволяет количественно выявлять коронавирус SARS-CoV-2 из группы других респираторных вирусных инфекций (респираторно-синцитиальный вирус, вирус гриппа A, вирус гриппа B, аденовирус, Newcastle disease virus). Разработанный метод является простым в использовании, обладает высокой чувствительностью (предел обнаружения составил 5,5* 104 TCID50/мл), а также селективностью, и позволяет быстро (для получения ответа требуется не более 5 минут) детектировать и количественно характеризовать присутствие SARS-CoV-2.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году мы получили следующие конкретные результаты: 1. Исследованы свойства электромагнитных плазменных волн в полупроводниковых мембранах. Будут изучены эффекты гибридизации электромагнитных плазмонов с Фабри-Перо модами подложки. Разработаны перестраиваемые модуляторы амплитуды и фазы терагерцового излучения на базе плазмонных мембран. Исследования проводились на подложках GaAs с выращенными на них высококачественными гетероструктурами GaAs/AlGaAs. Толщина мембран варьировалась в промежутке 23–186 мкм. В спектрах пропускания наблюдался пик, соответствующий частоте поперечного электромагнитного плазменного возбуждения. Нами было показано, что, по аналогии с трёхмерной плазмой, данная частота также определяет положение плазменного края пропускания. 2. Изучены физические свойства структур с гигантским усилением ТГц электромагнитного поля на базе Фабри-Перо супер-резонаторов (supercavity). Оптимизированы параметры исследуемых структур для получения максимального усиления ТГЦ-поля. Исследован отклик терагерцового детектора, интегрированного в разработанный Фабри-Перо супер-резонатор. В спектрах пропускания исследуемых структур на основе супер-резонаторов Фабри-Перо были обнаружены высокодобротные резонансы с добротностью достигающей 1000. . 3. В узкозонных InAs/AlSb полупроводниковых гетероструктурах исследованы физические свойства плазменных и плазмон-поляритонных возбуждений в двумерных электронных системах. Методом субтерагерцовой спектроскопии изучены эффекты непараболичности энергетического спектра двумерных электронов, а также эффекты спин-орбитального взаимодействия и запаздывания. В результате этих экспериментов удалось обнаружить ряд размерных плазмон-поляритонных резонансов. Кроме того, был разработан новый интерференционный метод для измерения энергетического спектра двумерных электронов в гетероструктурах InAs/AlSb. В результате, удалось однозначно измерить эффективную массу в исследуемой серии InAs/AlSb гетероструктур. 4. Для удешевления систем радиовидения разработаны матрицы детекторов на основе кремниевой технологии. Такой технологический переход обеспечивает снижение себестоимости не только одиночных детекторов, но также и систем усиления, считывания и обработки зарегистрированного сигнала, поскольку позволяет встроить их непосредственно в каждый пиксель матрицы. Для изготовления детектора на базе кремния был избран подход, ранее успешно реализованный на базе GaAs/AlGaAs гетероструктуры. Для создания эффективного плазменного детектора на базе новых материальных систем необходимо было решить ряд технологических задач. Для этих целей использовалась технология роста MOCVD, а также имплантация ионами легирующих примесей кремниевой шайбы. 5. Изучены изменения свойств одиночных детекторов и матриц детекторов при понижении температуры вплоть до гелиевых. Показано, что значительное увеличение подвижности в типичных полупроводниковых структурах при охлаждении, приводит к существенному улучшению чувствительности, быстродействия и шумовых характеристик. Исследовано изменение частотной зависимости чувствительности детекторов. Свойства плазмонного детектора субтерагерцового излучения на основе кремния были изучены в широком диапазоне температур, вплоть до гелиевой. Было показано, что понижение температуры увеличивает чувствительность более чем на порядок. Таким образом, понижение температуры значительно улучшает основные характеристики плазменных детекторов. 6. Исследованы поляризационные свойства плазмонных фотонно-кристаллических структурх для излучателей эллиптически поляризованного света и разветвителей циркулярно поляризованных компонент TE мод в противоположных направлениях. Разработана, изготовлена и исследована плазмонная решетка из золотых наночастиц на диэлектрическом GaAs волноводе для циркулярно поляризованного вывода спонтанного излучения квантовых точек, усиленного волноводом. Экспериментально продемонстрирована степень круговой поляризации 80% для ответвленного излучения квантовых точек. 7. Разработан экспресс-метод высокочувствительного и высокоспецифичного детектирования вирусов с использованием аптамерных SERS-сенсоров. Создан прототип прибора для количественного экспресс-детектирования респираторных вирусов с помощью SERS-подложек функционализированных олигонуклеотидами. Разработана технология быстрого и высочувствительного обнаружения целых вирусных частиц SARS-CoV-2 с использованием дважды меченых ДНК-аптамеров в качестве узнающих элементов в сочетании с методом детекции SERS. В результате, разработанный SERS-аптасенсор на основе воспроизводимой литографической SERS-подложки позволяет выявлять вирус SARS-CoV-2 (из группы других респираторных вирусных инфекций) в очень низких концентрациях (предел обнаружения составил 100 копий/мл), демонстрируя чрезвычайно высокий уровень чувствительности и при этом время полного анализа составляет всего лишь 12 минут. 8. Исследовано поведение интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент спектра рамановского рассеяния света на SERS-подложках в зависимости от мощности лазерного возбуждения и изучен вклад от вынужденного (когерентного) механизма рассеяния света в SERS-структурах. В настоящей работе мы исследовали SERS структуры в ИК области, и было обнаружено, что интенсивность антистоксового канала рассеяния растет сверхлинейно с мощностью возбуждения, а после некоторого значения мощности начинает расти пороговым образом. Показано, что значение пороговой мощности зависит от концентрации органических молекул, нанесенных на SERS-структуру, а также от коэффициента SERS-усиления. Обнаруженное поведение интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент спектра рамановского рассеяния указывает на важность стимулированного механизма рассеяния света в SERS-структурах. 9. Разработан прототип досмотрового комплекса с субтерагерцовым визором и рамановским анализатором для идентификации проносимых субстанций (заявка № 2022121699 от 09.08.2022), который относится к классу досмотрового оборудования для выявления потенциально опасных предметов и субстанций, скрытых под одеждой предметов в субтерагерцовом диапазоне электромагнитного излучения и спектроскопии комбинационного рассеяния света для идентификации химического состава подозрительных предметов. Пространственное разрешение визора масштаба около 1 миллиметра достигается за счет использования в визоре генераторов и детекторов на повышенной частоте 280 ГГц. Рамановский анализатор, работающий в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне с лазером длиной волны 1064 нм и Пельтье-охлаждаемой матрицей фотодетекторов на основе InAs, используется для выборочной идентификации химического состава подозрительных субстанций.