Введение к работе
Актуальность темы
Исследование взаимодействие света с веществом на наномасштабе в последние десятилетие привело к формированию новой, бурно развивающейся отрасли знаний, нанофотоники. Интерес к данной области обусловлен тем, что характер взаимодействия света с веществом существенно меняется в структурированных средах, таких как фотонные кристаллы [1] или метаматериалы [2]. В случае видимого или инфракрасного диапазона частот характерный размер модуляции диэлектрической проницаемости составляет десятки-сотни нанометров, и интенсивное развитие нанотехнологии в последнее десятилетие позволило перейти от теоретических исследований в данной области к экспериментальным, а также к созданию новых оптоэлектронных приборов [3].
В то время как в фотонных кристаллах оптический отклик в основном определяется Брэгговской дифракцией, приводящей к формированию оптических запрещенных зон, оптические свойства метаматериалов в целом обусловлены резонансным откликом составных элементов, так называемых метаатомов. При этом, большинство оптических эффектов в метаматериалах тем более выражены, чем больше отношение резонансной длины волны метаатома и его характерных размеров. Таким образом, для многих применений метаматериалов важно создание субволновых резонансных элементов. В оптическом, инфракрасном и терагерцовом диапазоне частот, эта задача может быть решена с использованием элементов, поддерживающих плазмонные возбуждения, то есть коллективные резонансные колебания свободных носителей. Плазмонные резонансы позволяют локализовать оптические моды на масштабах в десятки раз меньше длины волны электромагнитного излучения в вакууме [4]. По этой причине, большинство
метаматериалов в оптическом и инфракрасном диапазоне частот на сегодняшний день представляют собой массивы плазмонных резонаторов.
В последние годы фокус исследований в области метаматериалов сдвинулся в стороны их двумерных аналогов, метаповерхностей [5]. В первую очередь это обусловлено сравнительной простотой изготовления двумерных структур: для их создания можно использовать стандартные литографические методы. При этом двумерные структуры практически не имеют ограничений в функциональности по сравнению с трехмерными аналогами.
В последние годы активно ведутся исследования электромагнитных свойств различных двумерных материалов, таких как графен, нитрид бора, и дихалкогениды переходных металлов. Электромагнитный отклик графена в случае, когда уровень Ферми не совпадает с точкой нейтральности, во многом определяется плазмонным резонансом носителей, лежащим в терагерцовой и дальней инфракрасной области [6]. Поверхностные и краевые плазмон-поляритоны наблюдались в монослоях графена а также в квазиодномерных графеновых нанолентах. Полезной особенностью графена для применения в плазмонике является возможность управлять концентрацией носителей, а следовательно и частотой плазмонного резонанса посредством относительно небольших (единицы вольт) затворных напряжений. Таким образом, графен и графеновые структуры представляют собой подходящую платформу для реализации электрически перестраиваемых терагерцовых плазмонных устройств. Кроме того, структуры на основе графена могут быть использованы для реализации широкого класса метаматериалов и метаповерхностей. Исследование метаматериалов на основе графеновых структур на сегодняшний день является активно развивающейся областью плазмоники [7].
При изучении взаимодействия света с веществом принято разделять два режима: режимы слабой и сильной связи. В режиме слабой связи, электронный спектр вещества остается неизменным, а взаимодействие со светом приводит к
переходам между различными собственными состояниями. Простейшим примером такого процесса является спонтанное излучение атома, при котором электрон переходит с высокоэнергетической на низкоэнергетическую орбиту с излучением фотона на частоте перехода. Согласно Золотому Правилу Ферми скорость перехода пропорциональна плотности конечных состояний фотона. Так как плотностью фотонных состояний можно эффективно управлять в метаматериалах и метаповерхностях, в ряде работ было продемонстрировано существенная модификация времени спонтанного излучения квантовых источников в таких структурах [8].
В то же время скорость протекания многофотонных, нелинейно-оптических процессов должна зависеть от конечной плотности фотонных состояний сильнее чем скорость однофотонных процессов. В связи с этим, в последние годы активно исследуется способы управления скоростью различных нелинейных оптических процессов таких, как параметрическое рассеяние, генерация высших гармони и неупругое рассеяние света в метаматериалах [9].
В режиме сильной связи ситуация кардинально меняется, так как
взаимодействие с электромагнитным излучением приводит к ренормализации
спектра и изменению структуры собственных состояний вещества. Здесь также
можно выделить два режима: в резонансном режиме частота
электромагнитного излучения настроена либо на энергию какого-то перехода веществе, либо на частоту какой-нибудь квазичастицы (фонона, экситона, магнона, плазмона и т.д.). В этом случае режим сильной связи приводит к образованию новых квазичастиц, поляритонов [10], чье состояние описывается суперпозицией состояний вещества и света. В нерезонансном режиме, частота электромагнитного излучения лежит вдали от любых переходов в веществе, но спектр и собственные состояние электронов меняются за счет взаимодействия с полем. Этот процесс, носящий название «одевания» электронов полем, приводит к ряду удивительных эффектов, таких как открытие энергетической
запрещенной зоны в графене, переходам сверхтекучая жидкость – Моттовский изолятор под действием поля и многим другим [11]. Более того, относительно недавно были предсказаны и реализованы новые фазы вещества, возникающие только в режиме сильного нерезонансного взаимодействия света с веществом, такие, например, как Флоке топологические изоляторы [12]. Исследования режимов сильной нерезонансной связи света и вещества активно ведутся в твердотельных системах, а также в газах холодных атомов.
Наиболее актуальными теоретическими задачами в области
нанофотоники на сегодняшний день являются изучение влияния геометрии фотонных наноструктур на взаимодействие света с веществом и на характер протекания нелинейных оптических процессов в таких системах.
Целью работы Является теоретическое исследование линейных и нелинейных оптических и фотогальванических свойств низкоразмерных наноструктурированных материалов.
Научная новизна и практическая значимость работы состоят в разработке
теории физических явлений в метаматериалах и двумерных наноструктурах:
неупругого рассеяния света на свободных носителях в гиперболических
метаматериалах, оптически индуцированных переходов Лифшица в
двуслойном графене, оптически индуцированной локализации электронов в
графене. Предложены и теоретически описан новые классы двумерных
наноструктур: гиперболические метаматериалы на основе массивов
графеновых листов и гиперболические метаповерхности на основе тоннельно
связанных массивов графеновых нанолент. Разработанный метод
моделирования параметрического распада и параметрического рассеяния в в материалах, характеризуемых материальным потерями и пространственной дисперсии может быть использован для проектирования новых устройств генерации запутанных пар фотонов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Структура, представляющая собой периодический массив параллельных монослоев графена, разделенных диэлектрическими слоями, является гиперболическим метаматериалом в терагерцовом и дальнем инфракрасным диапазоне частот.
-
Топология поверхности Ферми и оптическая проводимость двумерного массива туннельно связанных графеновых нанолент определяется геометрией края нанолент: в случае края типа «зигзаг» туннельная связь краевых электронных состояний приводит к формированию поверхности Ферми гиперболической формы; в случае края типа «кресло» поверхность Ферми характеризуется возникновением электронных и дырочных «карманов».
-
Неупругое рассеяние света на свободных электронах в гиперболических материалах качественно отличается от рассеяния в оптически изотропных средах, что обуславливается гиперболической формой изочастотных контуров. В частности, величина Комптоновского сечения рассеяния и Комптоновского сдвига в гиперболических метаматериалах с экспериментально реализуемой геометрией может быть увеличена на два порядка.
-
В гиперболических метаматериалах с кубической нелинейностью реализуется усиление эффективности параметрического рассеяния фотона за счет как эффекта Парселла так и за счет модификации условия согласования фаз.
-
Взаимодействие двуслойного графена с нерезонансным высокочастотным электромагнитным полем приводит к переходам Лифшица в топологии поверхности Ферми.
6. Облучение монослоев графена циркулярно поляризованным
электромагнитным пучком позволяет локализовать электроны с линейной дисперсией в графене на масштабах диаметра пучка.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались авторам на следующих конференциях:
“Days on Diffraction” (Санкт-Петербург, 2013,2014,2016), “SPIE Photonics Europe 2014” (Бельгия, 2014), EuCAP 2014 (Гаага, 2014), PIERS 2015 (Прага, 2015), Meta 2016 (Малага, 2016), International School of Nanophotonics and Photovoltaics (Армения, 2017), Quantum Light in Nanostructures (Маратея, Италия, 2018),
а также на семинарах Австралийского Национального университета
(Канберра, Австралия), Университета ИТМО, Владимирского
Государственного Университета, Датского Технологического Университета, Университета Дарэма (Великобритания), Университета Тор Вергата (Рим, Италия), Санкт-Петербургского Государственного Университета.
Публикации.
По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 27 печатных работ в ведущих российских (Письма в ЖЭТФ) и иностранных (Nature Photonics, Physical Review Letters, ACS Photonics) журналах. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 210 страниц текста, включая 27 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 288 наименований.