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 22-22-00663

НазваниеЭлектростатическое и нелинейно-оптическое управление дисперсией волноводных поляритонов в планарных структурах на основе 2D полупроводников

Руководитель Кривосенко Юрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова Дихалькогениды переходных металлов, плоскопараллельные планарные волноводы, сильная связь света и вещества, экситон–поляритоны, спектроскопия задней фокальной плоскости, линза твердой иммерсии, Раби расщепление, нелинейно–оптический отклик

Код ГРНТИ29.33.25

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проблема отсутствия в современной фотонике миниатюрных быстродействующих планарных оптических устройств, эффективно управляемых как светом, так и напряжением, до сих пор остается актуальной. Настоящий проект направлен на поиск решения данной проблемы и посвящен реализации гибридных нелинейных поляритонных систем на основе двумерных полупроводников и разработке методов их исследования для целей оптоэлектроники. В основе проекта лежит концепция экситон-поляритонов — квазичастиц, возникающих в результате сильной связи света (обычно резонансной оптической моды) и вещества (экситонов в полупроводнике). Поляритонные структуры зарекомендовали себя как системы, обладающие гигантскими оптическими нелинейностями, обусловленными взаимодействием экситонов (в т.ч. — в составе поляритонов), существенно зависящим от их концентрации. Наиболее распространенной геометрией таких систем, позволяющей реализовать режим сильной экситон-фотонной связи, до недавнего времени были высокодобротные вертикальные брэгговские микрорезонаторы на основе GaAs/AlGaAs. Такие структуры обладают рядом недостатков. Во-первых, они плохо совместимы с планарной геометрией — таким образом, их трудно использовать в оптической интегральной схеме. Во-вторых – экситоны в системах на базе GaAs обладают малой силой связи, из-за чего такие устройства могут работать лишь при криогенных температурах. В-третьих, дисперсия таких резонаторов позволяет реализовать поляритонные состояния, в основном характеризующиеся малой групповой скоростью, в связи с чем их трудно использовать в качестве носителей информации. Наконец — в системах на основе трехмерных полупроводниковых материалов (в т.ч., например, в перовскитах) крайне затруднительно реализовать электрическое управление их оптическими свойствами, что безусловно важно для реализации интерфейса между электронными и фотонными компонентами. Предлагаемая в настоящем проекте поляритонная система будет лишена всех перечисленных выше недостатков. Она представляет собой плоскопараллельный диэлектрический волновод, интегрированный с монослоем дихалькогенида переходного металла (ДПМ), перенесенным на его поверхность. Управление светом в данных структурах будет осуществляться за счет реализации режима сильной связи между электромагнитной модой волновода и экситонами в монослое ДПМ, что ведет к образованию волноводных поляритонов (guided polaritons). ДПМ являются крайне перспективными для этого материалами: благодаря большой энергии связи экситона, поляритоны могут наблюдаться при высоких температурах вплоть до комнатных. Концентрацией носителей заряда, а значит и силой связи поляритона, и его дисперсией, можно управлять электростатически за счет приложения внешнего напряжения к структуре. Закон дисперсии волноводных поляритонов лежит ниже линии света, ведь у исходной фотонной моды, участвующей в их образовании, полностью отсутствуют радиационные потери, что позволит получить максимальные времена жизни и длины пробега поляритонов. Групповая скорость волноводных поляритонов соизмерима со скоростью света, что в перспективе позволит использовать их в качестве носителей информации. Предлагаемая система не предполагает сложных технологических процессов, таких как наноструктурирование, а значит в ней будут полностью отсутствовать потери, обусловленные дефектами фабрикации. Наконец — предлагаемая геометрия является планарной, то есть пригодна для интеграции в оптический чип. Следует отметить, что исследования волноводных поляритонов в системах на базе ДПМ будут проводиться впервые, так как все предыдущие геометрии предполагали реализацию сильной связи экситонов с утекающими модами, дисперсия которых лежала выше линии света. Последнее связано с тем, что для зондирования волноводных мод и, соответственно, волноводных поляритонов, необходимы особые экспериментальные приемы и методы, ведь такие состояния полностью развязаны с модами свободного пространства. В предлагаемой геометрии мы планируем использовать специальный подход к изучению экситон–поляритонов, поддерживаемых монослоями дихалькогенидов переходных металлов, интегриорванных с неструктурированным плоскопараллельным диэлектрическим волноводом под световым конусом, реализованный нашим коллективом и апробированный на диэлектрических метаповерхностях. Для возбуждения и детектирования волноводных поляритонов, распространяющихся вдоль поверхности, в рамках проекта мы планируем использовать полусферическую линзу твердой иммерсии (ТИ), расположенную в непосредственной близости (порядка 100 нм) от образца. Визуализация дисперсии волноводных поляритонов будет производиться с помощью спектроскопии задней фокальной (Фурье) плоскости с угловым разрешением и большой эффективной числовой апертурой (NA > 3), которую обеспечит линза ТИ, размещенная на оптической оси. Такая конфигурация позволит не только непосредственно измерять дисперсию волноводных поляритонов, но и продемонстрировать их электрооптическое и нелинейно-оптическое переключение. В ходе проекта будут решены следующие ключевые задачи: 1. Численное моделирование и оптимизация геометрии планарных структур для наблюдения волноводных поляритонов. 2. Изготовление образцов гибридных планарных структур на основе ДПМ (WS2, дисульфида вольфрама) с золотым верхним контактом. 3. Экспериментальная демонстрация режима сильной связи моды диэлектрического планарного волновода с экситонным резонаном в ДПМ. 4. Демонстрация управления силой связи поляритона внешним напряжением. 5. Экспериментальное исследование нелинейно-оптических свойств волноводных поляритонов, демонстрация синего поляритонного сдвига. 6. Теоретический анализ микроскопических механизмов нелинейности волноводных поляритонов. Таким образом, настоящий амбициозный проект направлен на комплексное экспериментальное и теоретическое изучение новой перспективной гибридной системы, реализующей волноводные экситон-поляритоны, управляемые при помощи света и напряжения. Совокупность опыта руководителя и членов коллектива в смежных областях экспериментальной нанооптики и поляритоники, а также теоретической нанофотоники позволяет с уверенностью рассчитывать на то, что все поставленные задачи будут выполнены.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---