Регистрация / Вход
Прислать материал

Диэлектрические, плазмонные и гибридные фотонные наноструктуры

Номер контракта: 14.584.21.0009

Руководитель: Белов Павел Александрович

Должность руководителя: главный научный сотрудник

Докладчик: Краснок Александр Евгеньевич, Старший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
метаматериалы, метаустройства, магнитный отклик, резонанс ми, нанофотоника, метаповерхности, резонанс фано, метаатомы, наночастицы, волноводы, олигомеры, наноантенны

Цель проекта:
На данный момент подавляющее большинство структур с оптическим магнитным откли-ком содержат металлические элементы с высокими омическими потерями на оптических часто-тах, что ограничивает их работоспособность. Одним из хрестоматийных примеров является ра-зомкнутый кольцевой резонатор, индуктивное металлическое кольцо с разрезом, из набора кото-рых составлены многие метаматериалы. Ключевой вопрос здесь, каким образом можно изба-виться от металлических составляющих и высоких потерь, не потеряв магнитный отклик. Проект предлагает иное решение в виде диэлектрических материалов. Несколько лет назад было показано теоретически, что диэлектрические частицы с высоким показателем преломления могут обладать наведенными магнитными резонансами, и, в отличие от плазмонных металлических наночастиц, они не испытывают омических потерь ввиду отсутствия свободных зарядов. Настоящий проект нацелен на запуск и выполнение передовой совместной с Индией исследовательской программы в Российской Федерации, которая станет основой для скорой разработки нового поколения материалов на базе резонансных диэлектрических наночастиц с высоким показателем преломления для зарождающейся области метаустройств с уникальной функциональностью.

Основные планируемые результаты проекта:
Основной задачей реализуемого проекта является разработка новых направлений физики диэлектрических, плазмонных и гибридных наноструктур и метаматериалов путем проектирования, моделирования и изготовления первых метаустройств на базе резонансных диэлектрических и металлических наночастиц с высоким показателем преломления, а также разработка новых концепций метаматериалов для управления магнитными и электрическими свойствами света на субволновом уровне.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Изучены оптически индуцированные магнитные дипольные и квадрупольные моменты возбуждаемые в диэлектрических (кремниевых) наночастицах. На основе проведенносго анализа предложен и экспериментально исследован простой подход к достижению сверхнаправленного режима работы электрически малых антенн на основе сферического керамического резонатора с выемкой, возбуждаемой дипольным источником. Представлены результаты по сверхнаправленным наноантеннам, выполненным на основе диэлектрических наночастиц с высоким значением диэлектрической проницаемости. Показано, что такие оптические наноантенны являются более энергоэффективной альтернативой плазмонным наноантеннам. В отличие от ранее известных сверхнаправленных антенн, наш подход имеет значительно меньшие потери, эффективность излучения на рабочей частоте достигает 0.8. Проведен анализ зависимости коэффициента направленности излучения электрически малых оптических наноантенн в зависимости от длины волны и расстояния между наночастицей и квантовым источником. Продемонстрирован эффект управления лучом путём субволнового смещения источника внутри выемки.

Исследован резонанс Фано в диэлектрических олигомерах. Были изучены две структуры, состоящие из кольца из четырех керамических сфер с центральной частицей и без нее, также было показано, что обе эти структуры
демонстрируют подавление резонансного рассеяния вперед. Это связано с резонансом Фано, происходящим от возбуждения магнитных дипольных мод в диэлектрических сферах. Выводы подтверждаются аналитическим решением, основанном на дискретном дипольном приближении, которое отлично согласуется с экспериментальными данными.

Получены результаты исследования влияния геометрии кластеров частиц на их коллективный оптический отклик на примере диэлектрического квадрумера. Представлены экспериментальные резьтаты, впервые подтверждающие наличие магнитного резонанса Фано в диэлектрических олигомерах.

Основные характеристики созданной научной продукции.
∙ Дополнительный патентный поиск выполнен на тему "резонансы Фано в наноструктурах/Fano resonanses in nanostructures"в соответствии с ГОСТ 15.011-96 и проводился в патентных базах данных Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации (Роспатент, www.fips.ru), Бюро по патентам и товарным знакам США (USPTO, www.uspto.gov) и Европейского патентного бюро (EPO, www.worldwide.espacenet.com). Было найдено около 10 патентов, из которых было выбрано 4 патентов наиболее близких к теме ПНИ. Патентный поиск проводился с 10 марта 2015 года по 1 июня 2015 года.
∙ Сверхнаправленные наноантенны, выполнены на основе диэлектрических наночастиц с высоким значением диэлектрической проницаемости. Такие оптические наноантенны являются более энергоэффективной альтернативой плазмонным наноантеннам. В отличие от ранее известных сверхнаправленных антенн, наша антенна имеет значительно меньшие потери – эффективность излучения на рабочей частоте достигает 0.8. Антенна обладает эффектом управления диаграммой направленности излучаемого сигнала за счет субволнового смещения источника внутри выемки.

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Проект относится к стремительно развивающейся области физики и фотоники. Множество ученых и научных групп работают в схожих направлениях. Отметим, что наша лаборатория Метаматериалов, основанная в 2010 в рамках мегагранта, является одной из основных групп, активно проводящих исследования в заявляемой области. Это подтверждается публикациями в высокорейтинговых журналах, большим количеством приглашенным докладов на международных конференциях, а также ключевой ролью в организации нескольких международных конференциях и семинарах, привлекающих множество исследователей из разных стран.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты данного этапа и проекта в целом смогут найти применение в следующих областях:
• плазмоника
• нанофотоника
• солнечная энергетика.

Этот проект предоставляет новые концепции эффективной манипуляции светом в структурах на основе диэлектрических наночастиц. Такие разработки помогут добиться прямой выгоды для различных практических приложений, включая системы оптической связи, спектроскопии, зондирования и визуализации, в классическом и квантовом режимах. Проект входит в активно развивающуюся международную область исследований, и наши ожидаемые результаты, в конечном итоге, охватят широкий спектр явлений: от изменения цвета и яркости света для работы с единичными фотонами до развития элементной базы систем оптической связи будущего.

Проведение данного ПНИ способствует расширению старых и развитию новых исследовательских партнерств между Индией и Россией. Сотрудничество с Делийским Технологическим Университетом в рамках данного проекта позволит создавать и развивать теоретическую и практическую базу в области создания и исследования свойств оптических диэлектрических, плазмонных и гибридных наноструктур и их практического применения.

Текущие результаты проекта:
Изучены оптически индуцированные магнитные дипольные и квадрупольные моменты возбуждаемые в диэлектрических (кремниевых) наночастицах. На основе проведенносго анализа предложен и экспериментально исследован простой подход к достижению сверхнаправленного режима работы электрически малых антенн на основе сферического керамического резонатора с выемкой, возбуждаемой дипольным источником. Представлены результаты
по сверхнаправленным наноантеннам, выполненным на основе диэлектрических наночастиц с высоким значением диэлектрической проницаемости. Показано, что такие оптические наноантенны являются более энергоэффективной альтернативой плазмонным наноантеннам. В отличие от ранее известных сверхнаправленных антенн, наш подход имеет значительно меньшие потери, эффективность излучения на рабочей частоте достигает 0.8. Проведен анализ зависимости коэффициента направленности излучения электрически малых оптических наноантенн в зависимости от длины волны и расстояния между наночастицей и квантовым источником. Продемонстрирован эффект управления лучом путём субволнового смещения источника внутри выемки.

Исследован резонанс Фано в диэлектрических олигомерах. Были изучены две структуры, состоящие из кольца из четырех керамических сфер с центральной частицей и без нее, также было показано, что обе эти структуры
демонстрируют подавление резонансного рассеяния вперед. Это связано с резонансом Фано, происходящим от возбуждения магнитных дипольных мод в диэлектрических сферах. Выводы подтверждаются аналитическим решением, основанном на дискретном дипольном приближении, которое отлично согласуется с экспериментальными данными.

Получены результаты исследования влияния геометрии кластеров частиц на их коллективный оптический отклик на примере диэлектрического квадрумера. Представлены экспериментальные резьтаты, впервые подтверждающие наличие магнитного резонанса Фано в диэлектрических олигомерах.