Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Моделирование, изготовление и характеризация фотонных резонаторов. В ходе выполнения первого этапа проекта, мы провели работы по дизайну, моделированию, оптимизации, изготовлению и характеризации планарных нанорезонаторов для последующего создания на их основе гибридных структур с интегрированными двумерными монослоями дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ). Диэлектрические резонаторы представляли собой дефекты в одномерных фотонных кристаллах на основе полосковых волноводов из высокоиндексного материала Ta2O5 на низкоиндексной подложке. В ходе работы были изготовлены образцы массивов резонаторов с оптимальными геометрическими параметрами, полученными в ходе численного моделирования. Результаты характеризации изготовленных образцов демонстрируют резонансный отклик вблизи экситонного пика в монослоях MoSe2 (750 нм) и значения добротности порядка 600. 2. Изготовление и характеризация образцов двумерных полупроводников, интегрированных с фотонными резонаторами. Мы провели работы по оптимизации технологий фабрикации и изготовили два типа гибридных образцов на основе двумерных полупроводников для дальнейших экспериментальных исследований линейных и нелинейных оптических откликов: (1) монослои MoSe2, интегрированные с одномерными фотонными кристаллами в виде субволновых решеток и (2) монослои WSe2, интегрированные с плазмонными нанорезонаторами в виде концентрических кольцевых антенн bull’s eye. В ходе оптической характеризации изготовленных образцов, были получены спектры отражения и фотолюминесценции, в том числе с угловыми зависимостями, при различных температурах от 10 К до 200 К. По угловым зависимостям оптического отклика был выявлен режим сильной связи и формирование трех поляритонных ветвей дисперсии в образцах первого типа. 3. Экспериментальное изучение генерации нелинейных сигналов в гибридных структурах. Мы экспериментально изучили нелинейный оптический отклик в изготовленных гибридных образцах: генерация второй гармоники (ГВГ) изучалась в структурах на основе плазмонных кольцевых резонаторов, сопряженных с монослоями WSe2, то время как в структурах на основе одномерных фотонных кристаллов, сопряженных с монослоями MoSe2, изучалось нелинейное поведение спектров отражения и их угловых зависимостей при варьируемой мощности резонансной лазерной накачки. Было обнаружено локальное резонансное усиление сигналов ГВГ за счет взаимодействия с модами резонаторов и получены зависимости ГВГ от длины волны возбуждения и температуры образца, которые позволили выявить эффекты усиления ГВГ за счет возбуждения экситонов. Для поляритонной системы hBN/MoSe2/фотонный кристалл, были измерены спектральные сдвиги в зависимости от мощности накачки и обнаружены два режима оптической нелинейности, связанной с экситон-экситонным взаимодействием. 4. Теоретическое моделирование экситонов и трионов в монослоях ДПМ. В ходе теоретических исследований, мы разработали модели для расчета экситонных и трионных резонансов в спектрах поглощения монослоев ДПМ на различных подложках и произвели расчеты спектров для монослоя MoSe2 с двумя конфигурациями диэлектрического окружения: hBN/вакуум и hBN/Ta2O5. Также были рассчитаны спектры оптического отклика монослоя ДПМ в зависимости от варьируемой плотности свободных носителей заряда в диапазоне от 0 до 2х10^11 см^-2. Результаты расчета демонстрируют синий и красный спектральные сдвиги экситонных и трионных пиков поглощения с увеличением плотности зарядов, соответственно. В дополнение, на основании рассчитанных волновых функций экситонов были получены оценки для параметров экситон-экситонного взаимодействия, определяющего нелинейность резонансного оптического отклика систем на основе монослоев ДПМ.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Создание и исследование наноструктур на основе двумерных полупроводников, поддерживающих неизлучающие поляритонные состояния. В ходе выполнения второго этапа проекта, мы провели работы по дизайну, моделированию, оптимизации, изготовлению и характеризации гибридных волноводных структур с интегрированными двумерными монослоями дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ). Геометрия структур была подобрана таким образом чтобы поддерживать неизлучающие состояния в режиме сильной экситон-фотонной связи при комнатной температуре. Изготовленные образцы были экспериментально исследованы в схеме Отто с использованием линзы твердой иммерсии. В результате исследований были получены поляритонные дисперсии, формирующиеся под световым конусом и соответствующие энергии расщепления Раби в 51 мэВ. 2. Исследование нелинейного поляритонного отклика в структурах на основе двумерных полупроводников, поддерживающих неизлучающие состояния. Мы провели работы по исследованию нелинейного оптического отклика в изготовленных структурах на основе волновода hBN, интегрированного с монослоем WS2 в режиме формирования неизлучающих экситон-поляритонных состояний. Нелинейная спектроскопия проводилась с использованием линзы твердой иммерсии в геометрии Отто. В результате измерений был обнаружен эффект уменьшения энергии расщепления Раби с ростом мощности возбуждающего излучения, который соответствует уменьшению силы осциллятора экситона в монослое WS2 при увеличении экситонной плотности. Также были исследованы спектры и эффективность генерации второй оптической гармоники. Было обнаружено усиление нелинейного сигнала на экситонном резонансе при возбуждении из свободного пространства и подавление сигнала при возбуждении через линзу твердой иммерсии. 3. Теоретическое и экспериментальное исследование оптического отклика межслоевых экситонов в наноструктурах на основе скрученных бислоев двумерных полупроводников. Мы теоретически и экспериментально изучили оптический отклик в скрученных бислоях ДПМ. В теоретической части, мы разработали модель для расчета энергетического спектра структуры, состоящей из двух монослоев ДПМ, повернутых на определенный угол друг относительно друга. В экспериментальной части, мы изучили оптический отклик бислоя ДПМ, помещенного в плазмонный нано-резонатор, состоящий из золотого зонда ближнепольного микроскопа и золотой пленки. Было теоретически предсказано и экспериментально продемонстрировано, что в такой системе существует возможность независимого управления интенсивностью фотолюминесценции внутри- и межслоевых экситонов за счет использования дополнительной степени свободы – пространственной координаты экситона относительно центра нано-резонатора. 4. Дизайн и изготовление наноструктур, интегрированных с графеном. Мы провели численное моделирование резонансных нано-структур, представляющих собой слот-антенны, вытравленные в золотой пленке. В результате моделирования были определены геометрические параметры, соответствующие формированию плазмонного резонанса вблизи длины волны 800 нм. Такие образцы были изготовлены и охарактеризованы в эксперименте. Для дальнейших исследований, методом сухого переноса были изготовлены гибридные структуры, состоящие из массивов слот-антенн, интегрированных с флейками однослойного и многослойного графена. 5. Исследование нелинейного оптического отклика третьего порядка в наноструктурах, интегрированных с графеном. Мы провели работы по экспериментальному исследованию нелинейного оптического отклика третьего порядка в изготовленных гибридных структурах на основе слот-антенн, интегрированных с трехслойным графеном. В эксперименте измерялась эффективность генерации третьей оптической гармоники в зависимости от мощности и длины волны возбуждения. Было обнаружено, что для энергии фотона третьей гармоники вблизи плазмонного резонанса слот-антенн эффективность генерации третьей гармоники на одиночной антенне может быть усилена до 2000 раз. Результаты исследования открывают новые возможности для создания компактных активных фотонных элементов с возможностью интеграции на чип для разработки новых поколений устройств обработки классической и квантовой информации.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе третьего этапа работы над проектом мы выполнили следующие работы и получили следущие результаты. 1. Дизайн и фабрикация резонансных гибридных структур на основе двумерных полупроводников с изолированным затвором для электростатического допирования. Мы провели работы по численному моделированию резонансных гибридных структур на основе наноструктурированных высокоиндексных диэлектрических пленок, сопряженных с монослоем MoSe2 с возможностью управления плотностью свободных носителей заряда. В результате моделирования мы получили оптимальные геометрические параметры структуры, позволяющие достичь режима сильной экситон- и трион-фотонной связи с оптической модой. На основе результатов моделирования мы изготовили экспериментальные образцы гибридных резонансных структур hBN/MoSe2/Ta2O5/SiO2/Si с Au/Cr электродами для электростатического управления плотностью свободных носителей заряда и изучения экситон- и трион-поляритонов. 2. Характеризация изготовленных образцов с изолированным затвором и измерение поляритонного отклика. Мы провели работы по характеризации изготовленных образцов фотонных кристаллов, сопряженных с монослоями MoSe2, в оптическом и атомно-силовом микроскопах, а также измерили спектры фотолюминесценции и отражения и их угловые зависимости при температуре 7 К в ТМ и ТЕ поляризациях. В ходе измерений мы обнаружили формирование двух экситонных и двух трионных резонансов, локализованных в различных пространственных областях элементарной ячейки фотонного кристалла. В результате, нам удалось продемонстрировать формирование экситон- и трион-поляритонов с максимальными константами связи в 12 мэВ и 9 мэВ, соответственно, и получить экспериментальные зависимости положения спектральных пиков экситонных и трионных резонансов, а также соответствующих констант связи со светом от плотности свободных носителей заряда. 3. Исследование спектров нелинейно-оптического отклика в изготовленных образцах в зависимости от контролируемой плотности свободных носителей заряда. Мы провели измерения поляритонного отклика в зависимости от мощности оптической накачки и получили оценку константы нелинейного экситон-экситонного взаимодействия в 1 мкэВ мкм^2. При этом нами было обнаружено, что эта константа практически не зависит от плотности свободных носителей заряда. Далее, мы продемонстрировали эффект коллапса расщепления Раби для трион-поляритонов при конечной плотности свободных носителей заряда и показали, что режим сильной связи для трионов возможно подавить с помощью оптической накачки со сравнительно низкой плотностью энергии в импульсе в 10 мкДж/см^2. В результате измерений мы показали, что возможно переключение от синего спектрального сдвига для трион-поляритонов в рассматриваемой структуре к красному сдвигу при изменении управляющего электростатического напряжения на изолированном затворе. 4. Исследование временной нелинейной динамики экситонов и поляритонов в гибридных структурах на основе двумерных полупроводников. Мы спроектировали и собрали оптическую схему для измерения временной динамики экситонных и поляритонных состояний в гибридных резонансных структурах на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов в конфигурации «накачка-зондирование». С помощью собранной установки мы исследовали зависимости коэффициента отражения от временной задержки между импульсами накачки и зондирования для экситонных резонансов в двумерном полупроводнике и поляритонных резонансов в гибридной структуре с интегрированным монослоем MoSe2. Результаты измерений показали суб-нс динамику, при этом мы обнаружили, что затухание поляритонных резонансов может происходить до 10 раз быстрее по сравнению с экситонными резонансами, что связано с быстрой излучательной рекомбинацией поляритонов за счет фотонной фракции. 5. Теоретический расчет нелинейности поляритонных состояний в структурах на основе двумерных полупроводников с управляемой плотностью свободных носителей заряда. Мы разработали теоретическую модель и провели расчеты волновых функций экситонных и трионных состояний в гибридной резонансной структуре, состоящей из фотонного кристалла, сопряженного с монослоем MoSe2. В результате расчета нами были получены теоретические зависимости спектральных положений пиков, ширин линий и констант связи экситонных и трионных состояний с оптической модой от управляемой плотности свободных носителей заряда. Мы также провели расчеты параметров нелинейности для экситон-поляритонов в рассматриваемой структуре и показали, что константа экситон-экситонной связи слабо зависит от плотности свободных электронов (изменение не более 20% для электронной плотности 10^12 см^-2). Наконец, нами был теоретически описан эффект коллапса расщепления Раби для трион-поляритонов при конечной плотности свободных электронов и рассчитаны мощностные зависимости трионного расщепления Раби, хорошо описывающие экспериментальные данные.