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 25-72-20030

НазваниеИсследование сверхбыстрой динамики в нанофотонных волноводах на основе двумерных полупроводников в режиме сильной связи света с веществом

Руководитель Пермяков Дмитрий Вадимович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №108 - Конкурс 2025 года на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова Ближнепольная оптическая спектроскопия, эванесцентные волны, нанофотонные волноводы, экситон-поляритоны, двумерные материалы, дихалькогениды переходных металлов, сверхбыстрая динамика

Код ГРНТИ29.31.27

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию сверхбыстрой динамики в нанофотонных волноводных структурах на основе двумерных Ван-дер-Ваальсовых полупроводников, поддерживающих режим сильной связи свет-вещество. Динамические процессы, происходящие на масштабах от фемтосекунд до сотен пикосекунд, во многом определяют оптический линейный и нелинейный отклик экситон-поляритонов в этих структурах. Управление такими процессами на сверхбыстрых временных масштабах позволит контролировать поведение экситон-поляритонных возбуждений и в перспективе создавать компактные активные поляритонные устройства с необходимым функционалом и возможностью интеграции на чип. Задача разработки новых типов компактных устройств для реализации фотонных вычислительных операций особенно актуальна сейчас, при современном быстром росте числа приложений, связанных с искусственным интеллектом и машинным обучением. Новизна предложенных в проекте исследований обусловлена тем, что сверхбыстрая динамика поляритонных состояний в волноводных системах на основе двумерных полупроводников на данный момент мало изучена. До сих пор детально не исследована роль процессов взаимодействия когерентных экситон-поляритонов с некогерентным экситонным резервуаром. Не выяснены временные масштабы, связанные с радиационными и нерадиационными каналами релаксации двумерных экситон-поляритонов, а также соответствующие времена декогеренции при распространении в наноструктурированных волноводах. С экспериментальной стороны, остро стоит задача разработки новых методик измерения динамики неизлучающих волноводных экситон-поляритонов, поскольку существующие методики либо не позволяют исследовать такие состояния под световым конусом, либо имеют ряд серьезных недостатков. В ходе проекта, мы разработаем новый подход для реализации сверхбыстрой оптической спектроскопии в ближнем поле с одновременным разрешением по волновому вектору, длине волны и времени. Подход будет основан на методике измерения эванесцентных оптических волн в ближнем поле с использованием линзы твердой иммерсии, которая в течение нескольких лет разрабатывалась нашим коллективом, в комбинации с методами лазерной спектроскопии в схеме «накачка-зондирование». С помощью новой экспериментальной методики мы детально изучим процессы возбуждения, взаимодействия и релаксации неизлучающих состояний в нанофотонных волноводных системах на основе двумерных полупроводников, включая темные экситоны и экситон-поляритонные возбуждения под световым конусом. На основе экспериментальных данных и теоретических расчетов будут построены модели, количественно описывающие процессы линейного и нелинейного возбуждения, взаимодействия и релаксации поляритонных импульсов в рассматриваемых системах. Полученные в проекте результаты внесут значительный вклад в дальнейшее развитие гибридных нанофотонных систем в качестве материальной платформы для фотонных вычислений на чипе. Детальное и точное описание сверхбыстрых динамических процессов в гибридных нанофотонных волноводах на основе двумерных полупроводников позволит разработать новые концепции устройств для фотонных вычислений на основе двумерных систем с сильной связью свет-вещество. Разработанная новая методика время-разрешенной оптической спектроскопии в ближнем поле предоставит важный инструмент для экспериментального исследования сверхбыстрой динамики, нелинейных взаимодействий и квантовых эффектов во множестве нанофотонных систем, поддерживающих неизлучающие или слабо-излучающие резонансные состояния. Дополнительно, полученные в проекте результаты будут включены в специальные образовательные курсы по оптике новых функциональных материалов в Университете ИТМО.

Ожидаемые результаты
К числу основных научных результатов проекта будут относиться: Результат 1. Будет разработана новая экспериментальная методика время-разрешенной оптической спектроскопии в ближнем поле с разрешением по волновому вектору и длине волны. Методика будет основана на использовании линзы твердой иммерсии и будет позволять проводить измерения динамики неизлучающих состояний в схеме «накачка-зондирование». Результат 2. На основе экспериментального исследования динамики затухания фотолюминесценции в ближнем поле, будет разработана модель релаксации темных экситонов в монослоях двумерных полупроводников. Результат 3. Будут экспериментально исследованы сверхбыстрые динамические процессы возбуждения, взаимодействия и релаксации неизлучающих экситон-поляритонных состояний в нанофотонных волноводных системах на основе двумерных Ван-дер-Ваальсовых полупроводников в режиме сильной связи свет-вещество. Результат 4. Будут разработаны теоретические модели, описывающих неравновесную сверхбыструю динамику релаксации и взаимодействие неизлучающих экситонных и экситон-поляритонных возбуждений в нанофотонных волноводных структурах на основе двумерных полупроводников. Полученные результаты внесут значительный вклад в развитие более широкого направления фотонных вычислений. Детальное и точное описание сверхбыстрых динамических процессов в гибридных нанофотонных волноводных системах на основе двумерных полупроводников позволит разработать новые концепции устройств для фотонных вычислений на основе двумерных систем с сильной связью свет-вещество. Это потенциально создаст новые перспективы для дальнейшего развития гибридных нанофотонных систем на чипе как материальной платформы для фотонных вычислений. В дополнение, мы ожидаем что уникальная новая методика время-разрешенной оптической спектроскопии в ближнем поле, разработанная в рамках предлагаемого проекта, окажется важным инструментом для дальнейшего экспериментального исследования сверхбыстрой динамики, нелинейных взаимодействий и квантовых эффектов во множестве нанофотонных систем, поддерживающих неизлучающие или слабо-излучающие резонансные состояния. Полученные в проекте результаты будут включены в специальные образовательные курсы, преподаваемые в Университете ИТМО, в частности студентам, обучающимся в магистратуре по программам “Квантовые и гибридные материалы” и “Нанофотоника и метаматериалы”. Коллектив участников проекта включает в себя 3 аспирантов и 2 студентов, для которых полученные ими в рамках проекта результаты станут частью выпускных квалификационных работ. Полученный в рамках работы над проектом опыт позволит им в дальнейшем успешно продолжить карьеру в российских исследовательских организациях и высокотехнологичных компаниях. Таким образом, результаты проекта будут важны для экономики и социальной сферы. Все результаты, полученные в рамках проекта, будут опубликованы в высокорейтинговых журналах (целевые издания: Nano Letters, ACS Photonics, 2D Materials, Applied Physics Letters, Optics Express, Optics Letters, Physical Review, Physical Review Applied) и представлены на ведущих международных симпозиумах в области нанофотоники и полупроводниковой физики.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---