Полимерные квазикристаллы и метаматериалы: аддитивные технологии создания, исследование свойств, управление электромагнитным полем

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 проекта 20-79-10316

НазваниеПолимерные квазикристаллы и метаматериалы: аддитивные технологии создания, исследование свойств, управление электромагнитным полем

Руководитель Саянский Андрей Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые слова фотонные кристаллы, квазикристаллы, аддитивные технологии, 3D печать

Код ГРНТИ47.09.53

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание новых искусственных материалов для управления электромагнитным полем является важной задачей современной физики, которая имеет огромное фундаментальное значение, так и широкий прикладной потенциал для самых разных направлений, включая материалы для перспективных мобильных сетей поколения 5G, а также разработку оптических устройств сенсоров, лазеров и многих других. Наиболее важной характеристикой искусственных фотонных структур является наличие запрещенной зоны, т.е. интервала частот в котором отсутствуют электромагнитные состояния, соответствующие распространяющимся волнам. Природа запрещенной зоны связана с брэгговским отражением света, которое имеет сильную спектрально-дирекционную зависимость. Для возникновения полной фотонной запрещенной зоны требуется спектральное перекрытие запрещенных зон, связанных с разными кристаллографическими плоскостями. Этого можно добиться увеличением интенсивности брэгговского рассеяния за счет диэлектрического контраста структуры, а также за счет высокой симметрии фотонного кристалла. На практике оба этих фактора оказываются ограниченными. Технологии изготовления трехмерных структур из материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости оказываются очень сложными и дорогими. Таким образом, проблема создания искусственных материалов, сделанных из доступных низкоиндексных (с низким значением диэлектрической проницаемости) компонент и при этом обладающих полной фотонной запрещенной зоной, является актуальной проблемой современной физики. На данный момент полная запрещенная зона была смоделирована в структурах с контрастом индекса преломления не менее 1.9, что исключает использование большинства полимерных материалов (индекс преломления порядка 1.6) и силикатных стекол (1.4-1.8). В нашей работе (препринт arXiv:1909.09521) было предложено использовать квазикристаллическую структуру, в которой отсутствует ограничение по элементам симметрии. Идея создания дизайна структуры напоминает идею о записи голографических пластинок несколькими последовательными пучками. Каждый пучок записывает дифракционную решетку или набор кристаллографических плоскостей. Наши структуры получаются при помощи «записи» большого числа кристаллографических плоскостей, нормали к которым распределены равномерно в полном телесном угле. В результате каждая из кристаллографических плоскостей создает запрещенную зону, спектральное положение которой имеет косинусоидальную угловую зависимость. Поскольку вблизи нуля косинус изменяется медленно, а плотность нормалей к плоскостям высокая, то такая структура согласно предварительным расчетам будет обладать полной фотонной запрещенной зоной. Запись большего количества дифракционных решеток в структуре из двух материалов стало возможно только благодаря предложенному методу бинаризации полученных голограмм. В рамках данного проекта мы будем впервые рассматривать вопросы о дизайне и создании таких структур при помощи доступных методов аддитивной технологии. Мы будем использовать обычный экструзионный 3D принтер, а также установку двухфотонного 3D лазерного нанолитографа. Электромагнитные свойства с созданных полимерных структур будут исследоваться как теоретически, так и экспериментально в микроволновом и оптическом диапазоне. Появление новых искусственных материалов, которые можно создать при помощи доступных на сегодняшний день технологий, окажет существенное влияние на развитие технологий управления электромагнитным полем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Артем Д. Синельник, Иван Иванович Шишкин, Сяочан Ю, Кирилл Борисович Самусев, Павел А. Белов, Михаил Ф. Лимонов, Павел Гинзбург, Михаил В. Рыбин Experimental Observation of Intrinsic Light Localization in Photonic Icosahedral Quasicrystals ADVANCED OPTICAL MATERIALS, Том: 8 Выпуск: 21 Номер статьи: 2001170 (год публикации - 2020)
10.1002/adom.202001170

2. Майвальд Л., Зоммер Т., Сидоренко М.С, Яфясов Р. Р., Мустафа М.Е., Шульц М., Рыбин М. В., Эйх М., Петров А.Ю. Control over light emission in low-refractive-index artificial materials inspired by reciprocal design Подана в Advanced Optical Materials (год публикации - 2021)

3. Майвальд Л., Соммер Т., Сидоренко М., Яфясов Р., Мерадж Э.М., Шульц М., Рыбин М., Эйх М., Петров А. Control over Light Emission in Low‐Refractive‐Index Artificial Materials Inspired by Reciprocal Design ADVANCED OPTICAL MATERIALS, 2100785 (год публикации - 2021)
10.1002/adom.202100785

4. Яфасов Р., Сидоренко М. , Рыбин М., Петров А., Саянский А. Omnidirectional Photonic Bandgap in Two-dimensional Photonic Quasicrystal Made of Near-Transparent Dielectric Material Journal of Physics: Conference Series, vol. 2015, pp. 012164 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012164

5. Чистяков В.А., Сидоренко М.С., Саянский А.Д., Рыбин М.В. Density of photonic states in aperiodic structures Physical Review B, vol. 107 (год публикации - 2023)
10.1103/physrevb.107.014205

6. Чистяков В.А., Сидоренко М.С., Саянский А.Д., Рыбин М.В. Квазикристаллические структуры с узкополосной спектрально-угловой селективностью Письма в ЖЭТФ, Том 117,вып.10,с. 740-745 (год публикации - 2023)

7. Корешин Е.А., Матченя Е.А., Карсаков Г.В., Ильин Д.И., Иорш И.В., Белов П.А. Electrostatic screening in a wire medium Physical Review B, vol. 107, 115170 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.107.115170

Публикации