ИСТИНА

Пространственно-периодические наноструктуры являются в настоящее время объектом пристального внимания, что связано преимущественно с возможностью создания на их основе перспективных миниатюрных функциональных структур для устройств фотоники и плазмоники. В связи с этим поиск и изучение новых типов структур, в которых возможно резонансное возбуждение и взаимодействие различных типов элементарных возбуждений, обусловленных дисперсионными и дифракционными эффектами, является актуальной задачей. В рамках данного проекта запланировано исследование спектральных особенностей оптического и нелинейно-оптического отклика пространственно-периодических металлических наноструктур. Будут изучены эффекты, связанные с наличием в структурах локализованных и/или распространяющихся плазмонных возбуждений (локальных плазмонов и плазмон-поляритонов), их модификации в случае магнитных плазмонных структур; эффекты, связанные с пространственным упорядочением расположения наночастиц в ансамбле: эффекты дифракции, формирование фотонных и плазмонных запрещенных мод, дополнительных решеточных мод в оптическом спектре. Последовательное изучение взаимодействия различных типов возбуждений и их роли в формировании оптического и нелинейно-оптического отклика таких структур, в том числе его динамических характеристик, составит основное содержание проекта. Высокая чувствительность нелинейно-оптических эффектов к электронным свойствам, симметрии, композиционному составу, магнитному состоянию и проч. таких структур, недоступная традиционным оптическим методам, позволит выявить основные механизмы, приводящие к появлению новых оптических и нелинейно-оптических свойств пространственно-структурированных сред. В проекте будут исследованы оптические и нелинейно-оптические свойства планарных одномерных и двумерных пространственно-периодических массивов плазмонных наночастиц (золото) в диэлектрической, в том числе магнитной, матрице; упорядоченные массивы магнитных наночастиц, пространственно-периодические магнитные структуры, полученные с помощью облучения пленки ферромагнитного металла ионным пучком и, как ожидается, демонстрирующие свойства нелинейного фотонного кристалла. Планируется использовать группу нелинейно-оптических методов, основанных на спектроскопии оптического, магнитооптического и нелинейно-оптического отклика, в том числе методы фемтосекундной динамики соответствующих эффектов (метод накачка-зондирование). Это позволит определить динамические характеристики оптического отклика структур на временах вплоть до субпикосекундных.

Spatially periodic nanostructures are currently the object of great attention, which is associated primarily with the ability to create on their basis promising compact functional structures for plasmonics and photonics devices. In connection with this, an important task is finding and exploring new types of structures, in which resonant excitation and interaction of different types of elementary excitations caused by the dispersion and diffraction effects can be realised. The project is aimed to study the spectral characteristics of optical and nonlinear optical response of spatially periodic metallic nanostructures. We intend to study the effects associated with the presence of localized structures and/or propagating plasmon excitations (plasmons and local plasmon polaritons), modifying them in the case of magnetic plasmonic structures; effects associated with spatial ordering of nanoparticle in the ensemble: the diffraction effects, the formation of photonic and plasmonic prohibited events, additional lattice modes in the optical spectrum. Sequential study of the interaction of different types of excitations and their role in the formation of optical and nonlinear optical response of such structures, including its dynamical characteristics, will be the main content of the project. The high sensitivity of the nonlinear optical effects to the electronic properties, symmetry, composition and magnetic state of such structures, inaccessible to traditional optical methods, will reveal the underlying mechanisms that lead to the emergence of new optical and nonlinear optical properties of periodic arrays of nanostructures. In the frame of the project, optical and nonlinear optical properties of planar one-dimensional and two-dimensional spatially periodic arrays of plasmonic nanoparticles (gold) will be investigated in the dielectric matrices; Ordered arrays of magnetic nanoparticles, spatially periodic magnetic structures obtained by using a ferromagnetic metal film and the ion beam irradiation is expected to demonstrate the properties of a nonlinear photonic crystal. It is planned to use a group of nonlinear optical methods based on optical spectroscopy, magneto-optical and nonlinear optical response, including femtosecond dynamics of the relevant effects (pump-probe method). This will allow to determine the dynamic characteristics of the optical response of structures on the time scales up to subpicosecond.

Задачи проекта состоят в изучении методами линейной и нелинейной спектроскопии специфики дисперсионных и дифракционных свойств, в том числе с временным разрешением, различных типов металлических наноструктур, период расположения которых в массиве соизмерим с длиной волны видимого излучения накачки: • 1D и 2D планарных пространственно-периодических массивов золотых наноструктур в диэлектрическом окружении. • Решетка магнитных нанодисков пермаллоя на поверхности кремния • Пространственно-периодические структуры на основе пермаллоя, сформированных путем периодического облучения пленки ферромагнитного металла ионным пучком. Планируется использовать группу экспериментальных методов, основанных на спектроскопии оптического, магнитооптического и нелинейно-оптического отклика, в том числе методы фемтосекундной динамики соответствующих эффектов (метод накачка-зондирование). Соответственно, основными задачами проекта являются: 1. Изучение линейных и нелинейно-оптических эффектов в 1D и 2D металл-диэлектрических структурах (плазмонных кристаллах). Планируется исследовать (1) структуры, образованные полосками золота на поверхности магнитного диэлектрика (на основе граната), изготовленных комбинированным методом ионно-лучевого распыления – осаждения. (2) 2D планарные упорядоченные наноструктуры, состоящие из наночастиц золота (диаметром около 100 нм) в диэлектрической матрице (висмут-замещенный гранат толщиной несколько сотен нм), изготовленных методом литографии (формирование решетки золота) с последующим напылением и термическим отжигом граната. Планировалось провести исследования спектроскопии оптических и магнитооптических эффектов, сверхбыстрой динамики оптического и магнитооптического отклика структур методом накачка-зондирование. В металл-диэлектрических периодических структурах будут проведены исследования по спектроскопии генерации второй (ВГ) и третьей гармоник (ТГ). Теоретическое обоснование полученных экспериментальных результатов будут проведено на основании, во-первых, численного моделирования распределения оптических полей в данных структурах с использованием пакетов Lumerical и Comsol. 2. Изучение линейных и нелинейных оптических и магнитооптических эффектов в решетке магнитных нанодисков пермаллоя на поверхности кремния. Планируется изучить анизотропию магнитных свойств таких структур, угловые зависимости магнитооптического эффекта Керра, определить такие параметры структуры как азимутальная зависимость коэрцитивности и поля насыщения. Аналогичные измерения планируется выполнить для эффекта генерации оптической второй гармоники. Будет развито феноменологическое описание эффекта генерации магнитоиндуцированной второй гармоники в симметричной решетке магнитных частиц с анизотропией магнитных свойств. 3. Планируется изготовление и изучение нового вида нелинейных пространственно-периодических планарных структур, полученных путем периодического облучения однородной пленки кобальта ионным пучком. При этом магнитные свойства структуры также будут пространственно промодулированы, что может привести к сильной модуляции нелинейно-оптического отклика структуры. Ожидается спектральное усиление генерации оптических гармоник за счет выполнения условий фазового синхронизма, возможность частотно-угловой перестройки контура усиления.

Лаборатория нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов (Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова), члены которой являются исполнителями проекта, специализируется в области экспериментального и теоретического исследования оптических и нелинейно-оптических эффектов в нано- и микроструктурах. Основными экспериментальными методами являются спектроскопия линейных и нелинейно-оптических эффектов, магнитооптических эффектов на частотах зондирующего излучения и второй гармоники (ВГ), нелинейно-оптической интерферометрии и микроскопии. Коллективу принадлежит ряд первонаблюдений в области нелинейно-оптических исследований микро- и наноструктурированных сред. Были обнаружены гигантские нелинейно-оптические магнитные эффекты в тонких пленках и наночастицах ферромагнетиков и в магнитных металлических наноструктурах; усиление эффективности генерации оптических гармоник и магнитных нелинейно-оптических эффектов в фотонных и магнитофотонных кристаллах. Участникам проекта принадлежит первонаблюдение генерации некогерентной второй гармоники и токоиндуцированной ВГ. Начаты исследования особенностей оптического и нелинейно-оптического отклика регулярных массивов плазмонных частиц, расположенных в магнитном диэлектрике.