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 20-12-00224

НазваниеОптические и транспортные свойства низкоразмерных материалов, помещенных в метаматериальные резонаторы в режиме ультра-сильной связи свет-вещество.

РуководительИорш Иван Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2020 г. - 2022 г.

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаметаматериалы, оптомеханика, режим ультрасильной связи свет-вещество, метод функционала плотности.

Код ГРНТИ29.31.21

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Целью проекта является исследование многоэлектронных систем, находящихся в режиме ультрасильной связи свет-вещество. В этом режиме характерная энергия связи между материальной и фотонной подсистемами становится сравнима с энергией перехода системы в возбужденное состояние. Возможно главным удивительным следствием установления режима ультрасильной связи (УСВ) является тот факт, что основное энергетическое состояние характеризуется ненулевым средним количеством фотонов, что в свою очередь приводит к существенной модификации свойств основного состояния. Впервые режим ультрасильной связи был достигнут только 10 лет назад, что привело к резкому росту интереса к данной области исследований. За последние десять лет был достигнут существенный прогресс как в теоретических так и экспериментальных исследованиях режима ультрасильной связи. В частности, были получены аналитические решения для ряда квантовых моделей, характеризующихся режимом УСВ, и предложен ряд применений этого режима от новых протоколов квантовой обработки информации до фотокатализа. Отдельно стоит отметить ряд работ, предсказывающих фазовые переходы в низкоразмерных электронных системах, обусловленные режимом ультрасильной связи, такие например как оптически индуцированная сверхпроводимость. В целом исследования режима УСВ являются одной из наиболее бурно развивающихся областей науки на стыке квантовой оптики и физики конденсированного состояния, что и обуславливает актуальность данного проекта. При этом в исследованиях режима УСВ до сих осталось много открытых вопросов. В частности, не до конца понятно влияние тепловых и иных нерадиационных потерь в резонаторах на характер основного состояния в режиме УСВ. При этом для достижения этого режима зачастую необходимо использовать метаматериальные резонаторы, обеспечивающие глубоко субволновую локализацию полей и как следствие существенное усиление взаимодействия света с веществом. Метаматериалы в свою очередь зачастую характеризуются высоким уровнем нерадиационных потерь, которые необходимо учитывать непертурбативно. Помимо этого в работах, предсказывающих фазовые переходы, обусловленные ультрасильным взаимодействием свет-вещество, зачастую рассматриваются простейшие модельные системы. Для количественного понимания процессов, обуславливающих эти фазовые переходы и для того, чтобы делать предсказания об области параметров, в которых такие переходы могут наблюдаться экспериментально, необходимо самосоглосованно описывать материальную и фотонную подсистему. Замечательно, что такой подход, Quantum-Electrodynamics-Density-Functional-Theory (QEDDFT), был относительно недавно сформулирован. Он однако пока не был имплементирован для систем, поддерживающих ультрасильную связь. Научная новизна проекта заключается в том, что мы планируем восполнить эти важные пробелы. Во-первых мы всесторонне исследуем влияние материальных потерь и пространственной дисперсии резонатора на характер основного состояния различных систем в режиме УСВ. Во-вторых, мы имплементируем подход QEDDFT для систем, поддерживающих ультрасильную связь. Результаты проекта будут иметь как чисто фундаментальную, так и практическую значимость, так как позволят как количественно описывать результаты экспериментов, так и разрабатывать дизайн систем, поддерживающих режим УСВ для применений в квантовой обработке информации. Коллектив, подобранный для выполнения проекта, включает теоретиков, специализирующихся на квантовой электродинамике резонаторов и метаматериалов, так и специалистов по первопропринципным расчетам, методу функционала плотности и его расширениям. Совокупность опыта коллектива в реализации масштабных международных научных проектов, его профессионализма, детально продуманного плана проекта, наличия научного задела позволяют утверждать, что поставленные задачи будут полностью решены, а полученные результаты опубликованы в ведущих научных изданиях и широко востребованы международным научным сообществом.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будут разработаны аналитические и численные модели, описывающие спектры собственных энергий и собственных состояний в различных системах, поддерживающих режим ультрасильной связи света с веществом. В частности: Будет рассчитан спектр собственных энергий и собственных состояний системы. представляющей собой одномерный массив атомов в лазерной решетке, расположенный над квазиодномерным оптическим волноводом. Будет рассчитано основное состояние системы, представляющей собой двухуровневую и/или трехуровневую систему в открытом резонаторе в присутствие нерадиационных потерь. Будет рассчитана автокорреляционная функция выходного излучения в такой системе в присутствии когерентной накачки. В рамках теории QEDDFT будет рассчитано основное состояние однородного электронного газа в двумерной квантовой яме в присутствии ультра-сильной связи (USC) с внешними фотонными модами, для различных значений концентрации электронов, когда заполнена лишь одна нижняя подзоны, так и нескольких подзон. Кроме того, будет выведен обобщенный функционал Виньяле-Кона для описания динамики неоднородного электронного газа с фотонными модами резонатора в УСВ в рамках теории QED-TDDFT. Будет рассмотрена динамика неоднородного электронного газа в режиме УСВ с фотонными модами резонатора в рамках приближения оптимизированного эффективного потенциала. Будут рассмотрены ряд актуальных моделей для неоднородного электронного газа (в частности, решетки однослойного и двуслойного графена). Результаты проекта обладают высокой фундаментальной и практической значимостью. Они позволяют давать предсказания об области параметров, в которых может экспериментально наблюдаться режим ультрасильной связи в различных системах, и количественно описывать эффекты, обусловленные режимом УСВ, такие как, например, оптически индуцированные фазовые переходы. Практическая значимость результатов заключается в том, что разработанные методы могут быть использованы в проектировании новых оптоэлектронных устройств в таких комания как например СВЕТЛАНА- ОПТОЭЛЕКТРОНИКА. Наиболее фундаментальные результаты, полученные в ходе выполнения проекта, будут непосредственно внедрены в образовательную программу магистрантов образовательной программы “Квантовые Материалы” Физико Технического Факультета Университета ИТМО.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---