Лаборатория теории наноструктур

Лаборатория была основана С. Г. Тиходеевым в 1993 г. в Институте общей физики РАН. С 2016 г. базируется на кафедре ОФиФКС физического факультета МГУ.

Лаборатория поддерживает научное сотрудничество со многими научными коллективами как в России (ИОФ РАН, Сколтех, ИФТТ РАН, ФТИ им. Иоффе РАН, ИТМО, ИФМ РАН) так и за рубежом (Stuttgart University, Würzburg University, University of Tokyo, Cardiff University). 

В начале 2000-х в лаборатории начали разрабатывать основанный на разложении Фурье и оптической матрице рассеяния метод решения уравнений Максвелла для пространственно модулированных структур — фотонных кристаллов и метаматериалов. Метод оказался очень продуктивным, позволил существенно продвинуть понимание резонансных свойств различных современных структур нанофотоники. Мы разработали способы улучшения сходимости этого метода, применили его для анализа оптических свойств разнообразных метаматериалов и фотонных кристаллов. Одно из последних наших достижений — разработка компактных источников циркулярно-поляризованного излучения, например, лазеров на основе микрорезонаторов с хиральным фотонным кристаллом на верхнем зеркале. Разработанные нами устройства были затем изготовлены нашими коллегами и продемонстрировали свою эффективность. Другой интересный пример — использование так называемых связанных состояний в континууме для создания эффективных источников света в рамках кремниевой технологии.

Основные результаты

1. Теоретически рассчитана, изготовлена партнерами из Университета г. Вюрцбург (Германия) и экспериментально исследована в Лаборатории Неравновесных электронных процессов ИФТТ РАН (г. Черноголовка, рук. В. Д. Кулаковский) светоизлучающая структура с InAs квантовыми точками в хирально-модулированном GaAs планарном волноводе.

   Показано теоретически и экспериментально подтверждено, что фотолюминесценция такой структуры может быть практически полностью циркулярно поляризована.

   Результат имеет большое практическое значение для создания компактных источников света циркулярной поляризации, что важно для применения в современных информационных технологиях, например, в спинтронике. 

2. Теоретически и экспериментально исследованы переходные процессы, сопровождающие переключения между различными состояниями мультистабильного конденсата поляритонов в высокодобротном микрорезонаторе пониженной симметрии при резонансном оптическом возбуждении по нормали к микрорезонатору. Показано, что при переключениях возбуждаются околоконденсатные моды, интенсивности и спиновые свойства которых определяются амплитудой конденсата и его спиновым состоянием.

   Полученные результаты важны для разработки быстрых (времена переключения порядка 10 пс) полностью оптических переключающих устройств для оптического компьютера.

3. Теоретически рассчитана и реализована в университете г. Штутгарт (Германия) тонкопленочная магнитоплазмонная структура, демонстрирующая рекордно большой угол вращения Фарадея 14 градусов в магнитном поле 5 Тесла. Таким образом, мы преодолели 1/3 пути по направлению к созданию компактного изолятора Фарадея субмикронной толщины. Оптические изоляторы являются важными элементами оптических линий связи и в настоящее время имеют макроскопические (сантиметровые) размеры.

   Разработанная нами магнитоплазмонная структура может привести к созданию эффективных невзаимных устройств нанофотоники для модуляции света и сверхкомпактным магнитооптическим сенсорам.

4. Разработан метод управления поляризацией низкотемпературного (T = 10 K) излучения экситон-поляритоного конденсата в плоском полупроводниковом микрорезонаторе с кирально-модифицированным верхним брэгговским зеркалом. Симметрия микрорезонатора вследствие травления понижается до C₄, и в результате экситон-поляритонные возбуждения в микрорезонаторе становятся эллиптически поляризованными. 

5. Разработаны теоретически и экспериментально реализованы высокоэффективные источники излучения для кремниевой оптоэлектроники и нанофотоники. В сотрудничестве с ИФМ РАН, Сколтехом и ИТМО нам удалось получить эффективно излучающее устройство на основе кремния при помощи внедренных в кремниевую структуру германиевых наноточек и изготовленного на его поверхности специально рассчитанного фотонного кристалла.

   

   Для того чтобы получить высокоэффективный источник излучения на основе кремния, был теоретически разработан, изготовлен и экспериментально исследован резонатор на основе связанных состояний в континууме в гексагональном фотонном кристалле на поверхности кремния, а в качестве источника люминесценции были выбраны наноостровки германия, которые можно внедрить в необходимое место на кремниевом чипе. Использование связанных состояний в континууме усилило интенсивность свечения более чем в сто раз.

   Полученные результаты открывают новые возможности для создания эффективных источников излучения на кремнии, встраиваемых в схемы современной микроэлектроники с оптической обработкой сигнала.

   Статья опубликована в журнале Laser and Photonics Reviews. Рисунок из этой статьи был выбран редакцией журнала для одной из обложек выпуска.

Ключевые публикации

• Tikhodeev S. G., Yablonskii A. L., Muljarov E. A. et al., Quasiguided modes and optical properties of photonic crystal slabs // Physical Review B 66, 045102 (2002).
• Christ A., Tikhodeev S. G., Gippius N. A. et al., Waveguide-Plasmon Polaritons: Strong Coupling of Photonic and Electronic Resonances in a Metallic Photonic Crystal Slab // Physical Review Letters 91, 183901 (2003).
• Floess D., Hentschel M., Weiss T. et al., Plasmonic Analog of Electromagnetically Induced Absorption Leads to Giant Thin Film Faraday Rotation of 14° // Physical Review X 7, 021048 (2017).
• Bonitz M., Jauho A., Sadovskii M. et al., In Memoriam Leonid V. Keldysh // physica status solidi (b) 256, 1800600 (2019).
• Dyakov S. A., Stepikhova M. V., Bogdanov A. A. et al., Photonic Bound States in the Continuum in Si Structures with the Self‐Assembled Ge Nanoislands // Laser & Photonics Reviews 15, 2000242 (2021).
• Gromyko D. A., Dyakov S. A., Gippius N. A. et al., Strong Local Field Enhancement of Raman Scattering Observed in Metal-Dielectric Gratings due to Vertical Fabry-Perot Modes of Surface Plasmon Polaritons // Physical Review Applied 17, 024015 (2022).
• Maksimov A. A., Filatov E. V., Tartakovskii I. I. et al., Circularly Polarized Laser Emission from an Electrically Pumped Chiral Microcavity // Physical Review Applied 17, L021001 (2022).