ИСТИНА

Структурирование существенно изменяет оптические свойства веществ. Так, периодическое варьирование на масштабах длины волны показателя преломления в фотонных кристаллах (ФК) приводит к формированию фотонных запрещенных зон, эффектов локализации света, и проч. Эти явления связаны с брэгговской дифракцией излучения в ФК, которая существенно зависит от дисперсии веществ, образующих фотонный кристалл. В этом отношении гиперболические метаматериалы обладают уникальными свойствами, отличающими их от обычных сред, а именно 1) гиперболическим законом дисперсии и 2) режимом, в котором эффективная диэлектрическая проницаемость (вернее, компонента ее тензора) близка к нулю. Исследование гиперболических метаматериалов является динамично развивающейся областью благодаря уникальным свойствам таких сред, приводящим к возможности усиления в них локальных оптических полей, ускорения радиационных переходов в молекулах, реализации высокой плотности состояний электромагнитного поля, что важно для усовершенствования источников излучения. Отмеченные особенности – свойства объема таких метаматериалов. Однако внимание к гиперболическим средам привлекают также резонансные поверхностные состояния света в них, известные как плазмоны Дьяконова. Их преимущество по сравнению с поверхностными волнами в обычных анизотропных средах заключается в субволновом масштабе локализации поля на границе гиперболического материала [Takayama, et al., Semiconductors 52, pp.442-446, 2018], что перспективно с точки зрения усиления полей в поверхностном слое вещества, может найти применение в нелинейной оптике и сенсорике. Гиперболический метаматериал представляет собой анизотропный металл-диэлектрический композит, в качестве которого в современных работах выступают массивы металлических стержней в диэлектрической матрице или структуры, состоящие из чередующихся слоев диэлектрика и металла [Poddubny, et al. “Hyperbolic metamaterials” Nature photonics 7, p. 948, 2013]. При этом характерный масштаб структурных элементов много меньше длины волны света, так что эффекты в этих материалах могут быть описаны с использованием формализма эффективной среды. Это отличает гиперболические метаматериалы, среди прочего, от фотонных кристаллов, в которых дифракция света является определяющей. Возможность гомогенизации гиперболических материалов позволяет использовать их в качестве основы нового типа ФК – гиперкристаллов [E. Narimanov "Photonic hypercrystals," Physical Review X 4 p. 041014, 2014]. Гиперкристаллы рассматриваются как эффективные усилители спонтанного излучения квантовых точек благодаря сочетанию высокой плотности состояний и периодичности структуры [T. Galfsky, et al., Proc. NAS 114, pp.5125-5129, 2017]. Несмотря на довольно значительный прогресс в области управления спонтанным излучением с помощью гиперкристаллов, их оптические свойства, в особенности связанные с нелинейными оптическими процессами, изучены далеко не полностью и требуют интенсивных исследований. Также к настоящему времени не изучены поверхностные состояния Дьяконова в гиперкристаллах. В рамках данного проекта планируется исследовать линейные и нелинейные свойства гиперкристаллов различного дизайна, реализацию в них поверхностных состояний. В качестве нелинейных эффектов предполагается изучение генерации второй оптической гармоники и самовоздействия света. Исследования будут проводиться в режимах гиперболической дисперсии, а также в спектральной окрестности нулевого значения компоненты тензора диэлектрической проницаемости. Планируется изучение как одномерных, так и двумерных структур. Экспериментальные исследования будут выполнены для гиперкристаллов, состоящих либо из чередующихся слоев диэлектрика и металла с субволновыми толщинами, либо из массива нанопроволок в диэлектрической матрице. При изготовлении структур будут применены методы магнетронного и электронно-лучевого напыления пленок, а также электроосаждения металла в поры специальной диэлектрической матрицы (анодированного оксида алюминия). Предполагается, что в качестве металлической составляющей будут использованы серебро или золото, поскольку именно эти металлы обладают наименьшими оптическими потерями. В качестве периодической структуры будут выступать 1D или 2D массивы канавок или отверстий, либо сформированные из гиперболического материала массивы столбики или диски, которые будут получены методами ионно-лучевого травления и литографии.

Structuring significantly changes the optical properties of substances. Thus, the periodic variation of the refractive index in photonic crystals (PCs) on the wavelength scale leads to the formation of photonic bandgaps, effects of light localization, and so on. These phenomena are associated with the Bragg diffraction of radiation in a PC, which essentially depends on the dispersion of substances forming a photonic crystal. In this regard, hyperbolic metamaterials have unique properties that distinguish them from ordinary media, namely, 1) the hyperbolic dispersion law and 2) the epsilon-near-zero in which the effective dielectric constant (or rather, its tensor component) is close to zero. The study of hyperbolic metamaterials is one of the most dynamically developing areas due to the possibility of strengthening local fields and increasing the rate of radiation emission of molecules, realizing a high density of states of the electromagnetic field, which is important for improving light sources. The noted features are the properties of the volume of this metamaterial. However, attention to hyperbolic metamaterials is also attracted by the resonant surface states of light in them, known as Dyakonov plasmons. Their advantage compared to surface waves in ordinary anisotropic media lies in the sub-wave scale localization of the field at the boundary of the hyperbolic material [Takayama, et al., Semiconductors 52, pp.442-446, 2018], which is promising from the point of view of field strengthening in the surface layer substances can be used in nonlinear optics and sensors. A hyperbolic metamaterial is an anisotropic metal-dielectric composite, which in modern works are arrays of metal rods in a dielectric matrix or structures consisting of alternating layers of dielectric and metal [Poddubny, et al. “Hyperbolic metamaterials” Nature photonics 7, p. 948, 2013]. At the same time, the characteristic scale of structural elements is much smaller than the wavelength of light, so that the effects in these structures can be described from the point of view of an effective medium. This distinguishes hyperbolic metamaterials, among other things, from photonic crystals, in which the diffraction of light is decisive. The possibility of homogenization of hyperbolic materials allows them to be used as the basis for a new type of PCs - hypercrystals [E. Narimanov "Photonic hypercrystals," Physical Review X 4 p. 041014, 2014]. Hypercrystals are considered as effective amplifiers of spontaneous emission of quantum dots due to a combination of high density of states and periodicity of the structure [T. Galfsky, et al., Proc. NAS 114, pp.5125-5129, 2017]. Despite rather significant progress in the field of spontaneous emission control using hypercrystals, their optical properties, especially those related to nonlinear optical processes, are far from being fully studied and require intensive research. Also, to date, the surface states of Dyakonov in hypercrystals have not been studied. Within the scope of this project, it is planned to investigate the linear and non-linear properties of hypercrystals of various designs, the implementation of surface states in them. As nonlinear effects, it is proposed to study the second optical harmonic generation and the self-action of light. Research will be carried out in the regime of hyperbolic dispersion, as well as the zero component of the permittivity tensor. It is planned to study both one-dimensional and two-dimensional structures. Experimental studies will be performed for hypercrystals consisting of either alternating layers of dielectric and metal with subwavelength thicknesses, or of an array of nanowires in a dielectric matrix. For this purpose, the approaches of magnetron and electron beam sputtering for films growing, as well as electrodeposition of the metal into the pores of a special dielectric matrix, will be applied. It is assumed that silver or gold will be used as the metal component, since it is these metals that have the lowest optical losses. As a periodic structure, there will be arrays of holes/grooves or columns/disks cut from a hyperbolic material, which will be obtained by ion-beam etching and lithography.

1) Будут выявлены новые оптические свойства гиперболических сред, возникающие за счет введения пространственной периодичности. 2) Будут получены законы дисперсии объемных и поверхностных состояний света в гиперкристаллах 3) Будет рассчитаны распределения полей, коэффициента пропускания/отражения при дифракции света на структуре гиперкристалла. 4) Будет изготовлена серия гиперболических сред с различным спектральным положением режима нулевого значения компоненты тензора диэлектрической проницаемости. 5) Будут изготовлены 1D/2D гиперкристаллы различного дизайна. Структуры будут представлять собой массивы канавок, отверстий гиперболического материала или дисков из этой композитной среды. В качестве основы периодической структуры будут выступать многослойные металл-диэлектрические пленки и/или нанопроволоки в пористой матрице оксида алюминия. Будет изготовлено несколько серий образцов с различным спектральным положением переходного режима epsilon-near-zero гиперболического материала по отношению к спектральной области перестройки фемтосекундной лазерной установки. 6) Будут экспериментально измерены спектрально-угловые спектры пропускания/отражения гиперкристаллов и гиперболических сред для различных поляризаций света. Поляризационные измерения позволят выделить вклады эллиптической и гиперболической дисперсий, реализуемых в зависимости от ориентации вектора электрического поля световой волны по отношению к оптической оси гиперболического материала гиперкристалла. Будут определены резонансные состояния, фотонные запрещенные зоны гиперкристаллов при помощи измерения спектров отражения и пропускания. 7) Будут измерены спектры интенсивности второй гармоники в зависимости от угла падения свет и длины волны накачки. Тем самым удастся провести сравнительный анализ нелинейных свойств гиперкристаллов в различных спектральных режимах эллиптической и гиперболического законов дисперсии, а также гиперкристаллов и неструктурированных гиперболических метаматериалов. 8) Будет получены величины нелинейного коэффициента преломления/поглощения гиперкристалла.

Автор проекта имеет значительный научный задел, как в части исследования линейной и нелинейной оптики фотонных кристаллов, так и гиперболических метаматериалов и различных видов наноструктур, имеет опыт исследования резонансных микроструктур, в которых возможно возбуждение мод шепчущей галереи. Автор проекта является соавтором цикла работ, посвященных исследованию оптических эффектов, возникающих при излучения в одномерных дифракционно-толстых фотонных кристаллах (ФК). При его определяющем участии были экспериментально были обнаружены и исследованы: эффект временного деления фемтосекундных лазерных импульсов, маятниковый эффект при дифракции лазерного излучения в геометрии Лауэ. Впервые продемонстрировано оптическое и индуцированное температурой переключение маятникового эффекта. Разработана технология создания нелинейных ФК на основе пористого кварца, основанная на внедрения сегнетоэлектрика. Обнаружен оптический аналог эффекта Боррмана. Впервые экспериментально и теоретически изучена синхронная генерация второй оптической гармоники при брэгговской дифракции лазерного излучения в схеме Лауэ в 1D ФК. Автор принимал участие в исследовании линейных и нелинейных оптических свойств органических микроструктур. Последние несколько лет автор проекта принимает участие в исследовании гиперболических метаматериалов. Предсказаны многократное усиление магнитооптического эффекта Фарадея и гигантское усиление интенсивности генерации второй оптической гармоники в гиперболическом метаматериале. Автором проекта разработаны программные коды для моделирования, расчета зонной структуры фотонных кристаллов различной размерности; спектров отражения/пропускания света одномерными и двумерными фотонными кристаллами. Автор проекта разработал компьютерный код, реализующий нелинейный метод конечных разностей во временной области для моделирования генерации второй оптической гармоники, а также владеет рядом коммерческих и свободных пакетов моделирования оптических свойств микроструктур.