Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на создание теоретического и практического фундамента использования новых анизотропных наноматериалов для элементной базы нанофотоники и оптоэлектроники. Использование анизотропных материалов дает дополнительную степень свободы для управления светом на наномасштабе в отличие от классических изотропных материалов. Это, в свою очередь, будет использовано для технологического перехода от электронных устройств к электронно-фотонным или фотонным устройствам, которые являются более быстрыми и энергоэффективными. В рамках заявленного плана работ на первом этапе проекта были экспериментально измерены анизотропные диэлектрические тензоры дихалькогенидов переходных металлов, таких как дисульфид вольфрама и диселенид молибдена, обладающих одноосевой анизотропией перпендикулярно слоям материалов. Измерения проводились при помощи спектральной эллипсометрии и традиционных спектроскопических методов (микропропускание, микроотражение и т.д.) для широкого диапазона длин волн 360 – 1700 нм, захватывая важный телекоммуникационный диапазон 1260 – 1700 нм. В частности, для телекоммуникационных длин волн измеренный показатель преломления в плоскости слоев оказался равным 3,8 и 4,2, в то время как измеренный показатель преломления перпендикулярно слоям оказался равным 2,4 и 2,7 для дисульфида вольфрама и диселенида молибдена, соответственно. Значение же анизотропии показателя преломления оказалось равным 1,4 и 1,5 для дисульфида вольфрама и диселенида молибдена, соответственно. Полученные экспериментальные данные были верифицированы теоретическими расчетами оптических свойств слоистых материалов. Например, для телекоммуникационных длин волн вычисления показателя преломления в плоскости слоев дали значения 3,9 и 4,4, в то время как для показателя преломления перпендикулярно плоскости слоев получились значения 2,4 и 2,8, а анизотропия показателя преломления 1,5 и 1,6 для дисульфида вольфрама и диселенида молибдена. Видно, что экспериментальные данные отлично согласуются с теорией, что подтверждает правильность полученных материальных свойств. Также стоит отметить, что слоистые материалы демонстрируют рекордные значения показателя преломления и анизотропии, которые являются ключевыми параметрами для создания высокоэффективных оптических элементов. В качестве демонстрации применения полученных свойств для элементной базы нанофотоники и оптоэлектроники были разработаны фотонные интегральные схемы, в которых преодолевался фундаментальный дифракционный предел. К примеру, для дисульфида вольфрама оптимальные параметры волноводной структуры имеют следующие значения: длина волны 636 нм, размер ядра волновода 31 нм, показатель преломления высокорефрактивного материала, из которого делается ядро волновода, составляет 3,9. При данных параметрах волноведущая структура преодолевает дифракционный предел на 6%. Также в рамках проекта были измерены дисперсионные кривые волноводных наноструктур при помощи рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Измерения проводились для 6 телекоммуникационных длин волн: 1475 нм, 1500 нм, 1525 нм, 1550 нм, 1575 нм и 1600 нм. Сравнение измеренной дисперсии с численными расчетами на оснвое оптических констант, полученных из спектральной эллипсометрии, показало отличное согласие дисперсионных кривых и, как следствие, отличные волноведущие свойства слоистых материалов. Помимо этого, было обнаружено, что гигантская оптическая анизотропия слоистых материалов, найденная из теоретических расчетов и спектральной эллипсометрии, позволяет управлять положением анапольных и магнитных дипольных резонансов в цилиндрических нанорезонаторах, а также эффекта суперотклонения падающего излучения в широком диапазоне от 0 до 180 градусов. Данные результаты делают возможным практическую реализацию фотонных и оптоэлектронных наноустройств на основе слоистых материалов, которые демонстрируют характеристики, превосходящие традиционные оптические элементы на основе кремния. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (например, Advanced Nano Materials 2022, Авейру (Португалия), 27 – 29 июль, 2022; The 9th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, онлайн-конференция, 22 – 28 май, 2022 и 20th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics 2022, Владивосток (Россия), 2 – 6 октябрь, 2022). Результаты опубликованы в высокорейтинговых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (Physical Review B (Q1, Импакт факто = 3,908) и Photonics (Q2, Импакт фактор = 2,536)).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на разработку теоретического и практического фундамента для использования новых анизотропных наноматериалов в области нанофотоники и оптоэлектроники. Анизотропные материалы предоставляют дополнительные возможности для контроля света на наномасштабах по сравнению с традиционными изотропными материалами, что открывает путь к технологическому переходу от электронных к электро-фотонным или фотонным устройствам, обещающим более высокую скорость работы и энергоэффективность. В рамках заявленного плана работ на втором этапе проекта были проведены теоретические расчеты анизотропных оптических свойств двухосных дихалькогенидов переходных металлов в диапазоне длин волн 360 – 1700 нм с использованием эволюционного алгоритма USPEX. Например, для дисульфида рения был получен показатель преломления вдоль одной из главных оптических осей в плоскости слоев равный 4,0, а вдоль другой главной оптической оси перпендикулярно слоям – 2,7 для телекоммуникационных длин волн. Аналогичные параметры для дителлурида молибдена оказались еще более высокими: оптическая анизотропия составила около 2,0, а показатель преломления вдоль высокорефрактивной главной оптической оси – примерно 4,8. Экспериментальные измерения оптических констант подтвердили теоретические результаты. Например, измеренный показатель преломления для дисульфида рения совпал с теоретическими предсказаниями, составляя 4,0 для телекоммуникационных длин волн. Видно отличное согласие теории с экспериментом. Стоит отметить, что эксперименты также подтвердили вращение оптических осей в дисульфиде рения и диселениде рения. Для иллюстрации применения выявленных характеристик в области нанофотоники и оптоэлектроники были созданы фотонные интегральные схемы, способные превысить фундаментальный предел дифракции, были разработаны наноразмерные волноводы на основе анизотропных слоистых материалов с определением оптимальных параметров. Например, для дителлурида молибдена оптимальные параметры включают длину волны 1196 нм, показатель преломления высокорефрактивного материала 3,5 и размер ядра волновода 137 нм. При данных параметрах структура преодолевает дифракционный предел на 8%. Важным результатом стало обнаружение, что внесение геометрической анизотропии в волноведущие структуры из анизотропных высокорефрактивных слоистых материалов снижает перекрестные помехи волноводов более чем в 4000 раз по сравнению с традиционными структурами, для расстояния между волноводами 400 нм длина перекрёстных помех для модифицированной геометрической анизотропией структуры оказалась более 6 метров, что позволяет при фабрикации таких волноводов на интегральных схемах работать с ними как с полностью независимыми каналами связи. Эти выводы открывают перспективу внедрения в жизнь фотонных и оптоэлектронных наноустройств, построенных на основе слоистых материалов и обладающих характеристиками, превосходящими традиционные оптические компоненты на основе кремния. Большая часть результатов была представлена и обсуждена на международных конференциях, научных школах и научных семинарах (например, международная конференция “11th International Symposium on Optics and its Applications OPTICS11”, Ереван (Армения), 11 – 15 июль 2023, Международная школа “Winter School on Photonics”, Санкт-Петербург (Российская Федерация) 11 - 16 декабрь 2022 и Всероссийская конференция “65-ая научная конференция МФТИ”, Долгопрудный (Российская Федерация), 3 – 8 апрель 2023). Результаты опубликованы в высокорейтинговых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (Photonics (квартиль Q2, Импакт фактор = 2,4), вторая статья в Nanomaterials (квартиль Q1, Импакт фактор = 5,3)).