Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 10, с. 658 - 666

Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры

(Мини-обзор)

П.Тонкаев⁺¹⁾, Ю.Кившарь^+∗1)

⁺Университет ИТМО, 197101 С.-Петербург, Россия

^∗Nonlinear Physics Centre, Australian National University, Canberra ACT 2601, Australia

Поступила в редакцию 14 октября 2020 г.

После переработки 19 октября 2020 г.

Принята к публикации 19 октября 2020 г.

Новые перспективные технологии, обеспечивающие создание высокопроизводительных линий опти-

ческой связи, сверхбыстрых вычислительных устройств и компактных биосенсоров, как ожидается, бу-

дут связаны с перестраиваемыми оптическими схемами высокой плотности функциональных элементов,

разрабатываемых в рамках современной нанофотоники. Продолжительное время плазмоника рассмат-

ривалась как безальтернативная технологическая платформа для нано-оптики, однако стремительно

развивающееся новое направление, получившее название резонансная метафотоника, позволяет со-

здавать энергоэффективные структуры нано-оптики, функционал которых обеспечен резонансами Ми,

возбуждающимися в отдельных элементах, сделанных из материалов с высоким значением диэлектри-

ческой проницаемости. Целью настоящего мини-обзора является освещение новых тенденций в физике

высокодобротных диэлектрических наноструктур для эффективного управления светом в пространстве

и времени благодаря использованию мультипольных резонансов и связанных состояний в континууме.

Кроме этого, обсуждается возможность практического применения фундаментальных результатов дан-

ного направления для нелинейной оптики, нанолазеров, субволновых сенсоров и волноводов.

DOI: 10.31857/S123456782022005X

Введение. Нанофотоника часто рассматривает-

таллическими аналогами - это низкие диссипативные

ся как особый раздел оптики, изучающий поведе-

потери, сильное усиление как электрического, так и

ние света на наномасштабах, включая взаимодей-

магнитного полей, которые делают их конкуренто-

ствие субволновых объектов со светом. Для многих

способной альтернативной для плазмоники оптиче-

приложений нанофотоники, в том числе для созда-

ских наноантенн, биосенсоров и метаповерхностей.

ния компактных оптических схем и сетей, необходи-

Диэлектрические наноантенны с высоким показа-

мо минимизировать геометрические размеры фотон-

телем преломления, поддерживающие мультиполь-

ных элементов, и поэтому традиционно нанофото-

ные резонансы Ми, представляют собой новый тип

ника основывалась на металлических компонентах,

структурных элементов метаматериалов для генера-

которые переносят и фокусируют свет с помощью

ции, управления и модуляции света. Комбинируя как

поверхностных плазмонных поляритонов, что поз-

электрические, так и магнитные мультипольные мо-

воляет преодолеть дифракционный предел [1]. Од-

ды, можно не только изменять диаграммы направ-

нако, как известно, плазмонные компоненты стра-

ленности излучения в дальней зоне, но также ло-

дают от сильных диссипативных потерь и нагре-

кализовать электромагнитную энергию в открытых

ва. Недавно возникшая новая область - диэлектри-

резонаторах, используя физику связанных состоя-

ческая резонансная метафотоника [2] (также на-

ний в континууме (ССК) для достижения деструк-

зываемая “Mie-tronics” [3]), направлена на управле-

тивной интерференции двух (или более) утекающих

ние оптически-индуцированными электрическими и

мод [4, 5]. Оптические резонансы Ми в наноантен-

магнитными резонансами Ми в диэлектрических на-

нах можно охарактеризовать средним временем жиз-

ноструктурах с высоким показателем преломления.

ни захваченного света, количественно определяемо-

Уникальные преимущества таких диэлектрических

го значением добротности. Известно, что дипольные

резонансных наноструктур по сравнению с их ме-

моды Ми низшего порядка имеют относительно низ-

кую добротность - порядка десяти. Изменение па-

¹⁾e-mail: pavel.tonkaev@metalab.ifmo.ru;

раметров резонатора, или объединение резонаторов

yuri.kivshar@anu.edu.au

в плоскую геометрию метаповерхностей, позволяет

658

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (Мини-обзор)

659

Рис. 1. Основные типы субволновых диэлектрических структур, представленные СЭМ-изображениями изготовленных

образцов. (а), (b) - Кубические и цилиндрические оптические наноантенны для лазерной генерации и генерации выс-

ших гармоник; (c), (d) - цепочки диэлектрических наночастиц для волноводов, передающих медленный свет; и (e) -

диэлектрические метаповерхности, поддерживающие СКК резонансы. Изображения взяты из работ [6-10]

добиться гораздо более высоких значений добротно-

свет. Наконец, создание метаповерхности на основе

сти.

субволновых резонаторов (см. рис.1e) позволяет

Этот мини-обзор призван осветить некоторые

использовать коллективные резонансы, связанные с

недавние достижения в области диэлектрической

физикой ССК, и, таким образом, создавать новую

Ми-резонансной метафотоники, обусловленные раз-

платформу для нелинейной оптики.

работкой диэлектрических структур с высокой доб-

Важно отметить, что различные степени свобо-

ротностью для нелинейной нанофотоники, лазерной

ды и геометрии могут быть использованы для про-

генерации на наномасштабах и создания эффектив-

ектирования добротности резонансных диэлектриче-

ных датчиков света.

ских структур, а также для создания волноводов,

На рисунке 1a-e показаны примеры СЭМ-

поддерживающих распространение так называемо-

изображений (воспроизведены из работ [6-10]) для

го медленного света, на основе резонансов Ми. Воз-

нескольких типов диэлектрических структур. В

можность получения резонансов с высокой доброт-

частности, субволновые оптические наноантенны,

ностью для метаповерхностей открывает новые пути

изготовленные из диэлектрических материалов с

для создания компактных оптических устройств та-

высоким показателем преломления, могут иметь

ких, как, например, биодатчики.

различную форму, например, куба и цилиндра (см.

Нелинейные наноантенны. Субволновые ди-

рис. 1a, b). Они также поддерживают мультипольные

электрические наноантенны, изготовленные из мате-

электрические и магнитные резонансы Ми, которые

риалов с высоким показателем преломления, недав-

можно гибридизировать для реализации квази-ССК

но нашли свое применение в нанофотонике [2, 7, 11].

резонансов, известных также как суперрезонансные

Однако усиление эффектов ближнего поля для от-

состояния [5], с высокими значениями добротности.

дельных субволновых резонаторов ограничено низ-

Ниже будет обсуждено как такие резонансные

кой добротностью основных резонансов, определя-

наноантенны Ми могут быть использованы для

ющих оптический отклик. В последних исследова-

генерации второй гармоники, а также для создания

ниях был предложен новый подход [7] для полу-

уникальных наноразмерных неплазмонных лазеров,

чения высокодобротных резонансов в индивидуаль-

работающих при комнатной температуре. На ри-

ных субволновых резонаторах в режиме суперрезо-

сунке 1с,d представлены массивы диэлектрических

натора, используя физику безызлучательных состо-

наночастиц для волноводов, передающих медленный

яний - оптических связанных состояний в конти-

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

6^∗

660

П.Тонкаев, Ю.Кившарь

Рис. 2. (Цветной онлайн) Примеры нелинейных эффектов усиленных резонансами Ми. (а) - Генерация второй гар-

моники за счет квази-ССК резонанса. (b) - Вынужденное комбинационное рассеяние света на c-Si наноцилиндрах

усиленное резонансом Ми низкого порядка. Изображения взяты из [7, 11]

нууме (ССК) [4, 5]. Изучению режима суперрезона-

Ми [7]. Для эффективного возбуждения авторы ис-

тора было посвящено много работ, но эксперимен-

пользовали сильно сфокусированный азимутально-

тально пронаблюдать его удалось только в этом го-

поляризованный векторный пучок с длиной волны

ду. Кошелев и соавторы [7] впервые эксперименталь-

от 1500 до 1700 нм. Измеренная добротность соста-

но реализовали суперрезонансные моды в отдельных

вила около 190, что более, чем на порядок выше,

субволновых диэлектрических резонаторах, а так-

чем для обычного магнитного дипольного резонан-

же продемонстрировали рекордно высокую эффек-

са Ми. Такое высокое значение добротности обуслов-

тивность генерации второй гармоники. Исследова-

ливает усиление взаимодействия света с веществом

ние показало, что суперрезонансные моды образуют-

за счет нелинейных эффектов. На рисунке 2а пока-

ся из-за сильной связи двух вытекающих мод, воз-

заны измеренные зависимости интенсивности вто-

буждаемых одновременно в диэлектрическом резо-

рой гармоники от диаметра частицы и длины пада-

наторе, которые деструктивно интерферируют, что

ющей возбуждающей волны структурированной на-

приводит к сильному подавлению радиационных по-

качки. На вставке показан профиль в дальней зоне

терь. Эти наблюдения подтвердили, что моды супер-

испускаемого излучения возбужденной квази-ССК

резонатора обусловлены физикой ССК. Результаты

моды.

работы открывают новые возможности для субвол-

Комбинационное рассеяние - это эффективный

новой диэлектрической метафотоники и нелинейной

метод для изучения оптических мод. Значитель-

нанофотоники.

ное увеличение сигнала комбинационного рассея-

В частности, Кошелев и соавторы [7] рассмот-

ния света соответствует эффективному взаимодей-

рели цилиндрические резонаторы высотой 635 нм,

ствию энергии с модами наночастицы. Комбинацион-

изготовленные из AlGaAs (ε = 11) и помещенные

ное рассеяние света, усиленное электрическим и маг-

на кремневую подложку с дополнительным высо-

нитным резонансами Ми субволновых частиц [12],

колегированным слоем ITO толщиной 300 нм. Этот

может быть использовано в качестве датчика [13] и

слой обеспечивает дополнительное увеличение доб-

для нанотермометрии [14]. Однако усиленное спон-

ротности за счет взаимодействия между резонато-

танное комбинационное рассеяние света остается от-

ром и подложкой. Чтобы обнаружить суперрезо-

носительно слабым эффектом по сравнению с уси-

нансную моду, авторы изменяли диаметр резонато-

ленной фотолюминесценцией, наблюдаемой в резо-

ра от 890 до 980 нм, чтобы найти сильное взаимо-

нансных наноструктурах [15]. Зограф и соавторы [11]

действие между парой утекающих резонансных мод

экспериментально пронаблюдали вынужденное ком-

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (Мини-обзор)

661

бинационное рассеяние на изолированных субволно-

в нанофотонике. Низкие безызлучательные потери

вых c-Si наночастицах, усиленное мультипольными

диэлектрических частиц позволяют рассматривать

резонансами Ми. В своей работе они исследовали

их в качестве источников лазерного излучения. Ди-

рассеяние на c-Si наноцилиндрах высотой 600 нм и

электрические наноантенны уже были использова-

диаметрами от 200 до 1000 нм, изготовленных мето-

ны для усиления сигнала комбинационного рассея-

дом электронно-лучевой литографии на подложке из

ния [12] и фотолюминесценции материала наноан-

Al₂O₃ (см. рис. 2b).

тенн [17].

Сначала авторы выбрали субволновую наноча-

Галогенидные перовскиты являются перспектив-

стицу с наиболее сильным сигналом комбинационно-

ные материалами для лазерной генерации. Эти ма-

го рассеяния света. Для достижения этой цели были

териалы имеют достаточно высокий показатель пре-

проведены измерения конфокального комбинацион-

ломления, что позволяет создавать из них компакт-

ного рассеяния света от отдельных наночастиц c-Si

ные конструкции, поддерживающие резонансы Ми

на длине волны накачки 633 нм. Было обнаружено,

[15, 17]. Кроме того, свинцово-галогенидные перов-

что при низкой интенсивности максимальный сигнал

скиты имеют низкую концентрацию дефектов и вы-

комбинационного рассеяния света соответствует диа-

сокий квантовый выход фотолюминесценции [18].

метру наночастиц 475 нм, поддерживающей магнит-

Более того, простые химические методы изготовле-

ную дипольную и магнитную квадрупольную моды

ния позволяют создавать оптические резонансные

на длинах волн 654 и 633 нм, соответственно. Типич-

микроструктуры, генерирующие лазерное излучение

ные экспериментальные зависимости сигнала ком-

в оптическом диапазоне частот [19,20]. Однако со-

бинационного рассеяния света от интенсивности на-

здание субволнового резонатора является сложной

качки показаны на рис. 2b. При малых интенсивно-

задачей из-за того, что частицы маленького разме-

стях зависимость линейная, и преобладает спонтан-

ра имеют большее отношение поверхности к объему,

ное комбинационное рассеяние света. Однако при бо-

что увеличивает эффект поверхностной рекомбина-

лее высоких интенсивностях (более 0.3 МВт/см²) для

ции и влияние шероховатостей, которые в свою оче-

нанодиска диаметром 475 нм наблюдался нелиней-

редь приводят к более высоким потерям. В недав-

ный рост сигнала комбинационного рассеяния света,

них исследованиях удалось преодолеть это ограни-

который не обнаруживается для других нанодисков

чение и создать нанолазер размером 310 нм на осно-

диаметром от 250 до 800 нм. Эта резкая разница ха-

ве свинцово-галогенидного перовскита, который ра-

рактеризует процесс вынужденного комбинационно-

ботает при комнатной температуре и имеет соотно-

го рассеяния света.

шение размера к длине волны 0.58 [6]. Наночастица

В режиме вынужденного комбинационного рас-

CsPbBr₃ была синтезирована химическим путем на

сеяния более сильная накачка передает часть сво-

подложке из Al₂O₃ (рис. 3а). Разложение по мульти-

ей энергии более слабому стоксово-сдвинутому рама-

полям частицы, генерирующей лазерное излучение,

новскому сигналу за счет взаимодействия с нелиней-

демонстрирует доминирующий вклад магнитной ди-

ной средой. В результате накачка может усилить сла-

польной моды Ми третьего порядка [6].

бый стоксов пучок, связанный с рамановским усиле-

Создание резонаторов меньшего размера при со-

нием. Когда фотоны накачки захватываются модой

хранении той же длины волны излучения обязатель-

резонатора, комбинационное рассеяние усиливается

но подразумевает использование мод более низко-

и генерирует сигнал, который растет экспоненциаль-

го порядка, которые обладают более высокими ра-

но с входной интенсивностью.

диационными потерями, что приводит к падению

Диэлектрические нанолазеры. Создание на-

добротности. Мыльников и соавторы [21] предло-

ноисточника когерентного излучения - важная часть

жили использовали цилиндрический наноразмерный

в разработке будущих оптических компьютерных

резонатор, поддерживающий квази-ССК режим (см.

систем. До сих пор создание полупроводниковых

рис. 3b). Использование режима суперрезонансой мо-

лазеров ограничивалось несколькими микронами.

ды снижает радиационные потери, позволяя компен-

Дальнейшее уменьшение размеров затруднено из-

сировать усиление и потери в наночастицах меньше-

за радиационных потерь. Использование плазмон-

го размера. В результате авторы продемонстрирова-

ных материалов может уменьшить радиационные по-

ли нанолазер на основе GaAs диаметром 500 нм и вы-

тери и размер лазера, но при этом увеличивают-

сотой 330 нм на кварцевой подложке с длиной волны

ся безызлучательные потери [16]. Недавние исследо-

генерации 825 нм и с отношением размера к длине

вания продемонстрировали перспективность исполь-

волны 0.6, однако работающий при криогенных тем-

зования резонансных диэлектрических наноантенн

пературах [21].

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

662

П.Тонкаев, Ю.Кившарь

Рис. 3. (Цветной онлайн) Диэлектрические нанолазеры поддерживающие резонансные моды Ми низкого порядка на

основе (а) - кубической наночастицы CsPbBr3 и (b) - наноцилиндра GaAs. Изображения взяты из [6, 21]

Волноводы передающие медленный свет.

ше длины волны, волновод можно эффективно ап-

Недавний прогресс в технологии изготовления нано-

проксимировать как одноосный кристалл, что позво-

объектов открывает большие возможности для про-

ляет рассчитать его эффективный показатель пре-

ектирования субволновых структур на основе мета-

ломления, как обсуждалось в работе [22]. В резуль-

материалов со специально разработанными оптиче-

тате, волновод оптически эквивалентен однородно-

скими свойствами, которые, как ожидается, улуч-

му волноводу с эффективным показателем, опреде-

шат характеристики фотонных устройств следующе-

ляемым коэффициентом заполнения (красная линия

го поколения. Субволновые оптические волноводы

показывает эффективную дисперсию). Возможность

привлекли большое внимание, поскольку они предо-

управлять как дисперсией, так и анизотропией вол-

ставляют уникальные возможности для миниатюри-

новодов открывает много возможностей для проек-

зации технологий оптической связи. В последнее вре-

тирования волновых векторов распространяющихся

мя обсуждаются разнообразные реализации субвол-

мод [22].

новых структур в интегральной оптике для проекти-

Однако ситуация кардинально меняется при уче-

рования интегрированных фотонных платформ [22].

те свойств отдельных резонаторов. Теоретические

Основными целями этих исследований являются ди-

исследования показали [24], что электромагнитную

зайн модовой дисперсии и анизотропии волновода и,

энергию можно эффективно направлять вдоль це-

в частности, достижение режима медленного распро-

почки наночастиц, когда поле локализовано на раз-

странения света. Следующим шагом было бы исполь-

мере менее половины длины направляемой волны,

зование резонансов в таких волноводах медленного

что обеспечивает альтернативу плазмонным волно-

света на основе как электрических, так и магнитных

водам. Эта концепция была проверена в микровол-

мультипольных мод Ми [23].

новом диапазоне [25] с использованием аналога опти-

В общем, распространение света через периоди-

ческих наноантенн, реализованного для микроволн

ческий пластинчатый волновод определяется дис-

[26]. Полученные результаты предполагают, что це-

персией, показанной на рис. 4а (слева), и харак-

почка наночастиц с высоким показателем преломле-

теризуется тремя режимами: излучение, брэггов-

ния может направлять свет на расстояния, значи-

сое рассеяние и субволновые распространение волн

тельно превышающие расстояния, достижимые с по-

[22]. В режиме излучения периодический волновод

мощью металлических или металл-диэлектрических

представляет собой дифракционную решетку, из-

плазмонных волноводов.

лучающую из волновода в свободное пространство

Диэлектрические наночастицы с высоким показа-

вверх и вниз, как показано на рис.4а (справа).

телем преломления поддерживающие резонансы Ми,

Для более коротких периодов волновод поддержи-

открывают новые возможности для управления све-

вает моды Флоке-Блоха, характеризующиеся элек-

том на наномасштабах, из них также можно создать

трическим полем, модулированным с той же пери-

волновод медленного света в цепочке связанных ре-

одичностью, что и волновод. Однако, когда перио-

зонансных наночастиц кремния на телекоммуника-

дичность волновода становится существенно мень-

ционных длинах волн. В недавних исследованиях бы-

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (Мини-обзор)

663

Рис. 4. (Цветной онлайн) Субволновые волноводы. (а) - Схематическая дисперсия (слева) и соответствующие профили

электрического поля (справа) периодического пластинчатого волновода для трех режимов: излучения, брэгговского

рассеяния и субволнового распространения волн. (b) - Пропускание и СЭМ-изображения волноводных массивов из

Ми-резонансных наночастиц кремния. Изображения взяты из [22, 23]

ли экспериментально продемонстрированы возмож-

Ми-резонансные массивы могут демонстрировать да-

ности и преимущества этих новых типов субволно-

же более низкие потери по сравнению с волновода-

вых волноводов, а также обсуждены их приложения

ми шириной 400 нм, а групповые скорости направ-

[27, 28].

ленных мод в таких волноводах снижаются до 0.03

На рисунке 4b (слева) показано пропускание оп-

скорости света.

тического устройства, основанного на цепочке нано-

Высокодобротные диэлектрические ме-

частиц, показанной на рис. 4b (справа), с диамет-

таповерхности. Методы поверхностно-усиленной

рами D = 340 нм и расстоянием между частица-

спектроскопии обычно используются для получения

ми g = 150 нм, как гибридный оптический каплер

информации о химическом составе, которая тесно

[23]. Черная кривая - пропускание устройства без

связана со структурой и конформацией молекул.

каплерa для наночастиц, а цветные кривые - для

Традиционно поверхностно-усиленная спектроско-

устройств с каплерoм из различного числа N на-

пия основана на использовании металлических

ночастиц. Можно заметить, что общий коэффици-

наноантенн, поддерживающих плазмонные резо-

ент пропускания через устройство увеличивается с

нансы, что обуславливает наличие значительных

20 до ∼ 70 % из-за наночастиц. Кроме того, такие

ограничений. Диэлектрические метаповерхности

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

664

П.Тонкаев, Ю.Кившарь

Рис. 5. (Цветной онлайн) Применение высокодобротных диэлектрических метаповерхностей. (а) - Концепция мульти-

плексирования по углам на основе диэлектрической метаповерхности. (b) - Генерация второй гармоники из монослоя

WS2, помещенного поверх Si метаповерхности, и спектры интенсивности генерируемого сигнала второй гармоники.

Изображения взяты из [29, 31]

являются альтернативным подходом к управлению

молекул коррелирует с интенсивностью отраженного

как электрическими, так и магнитными полями с

сигнала от разных пикселей и позволяет считывать

низкими материальными потерями, кроме того, они

информацию с помощью обработки регистрируемого

могут обеспечить совместимость с технологиями

изображения. Такая молекулярная визуализация

для промышленного производства.

может быть выполнена с использованием широко-

полосных источников света и детекторов, что поз-

Для спектроскопии среднего ИК-диапазона

воляет работать без спектрометра на миниатюрной

недавно были предложены высокодобротные мета-

платформе. Многокомпонентные образцы, содер-

поверхности, которые позволяют регистрировать

жащие биомолекулы, загрязнители окружающей

степень абсорбции молекул через отраженный сиг-

среды и полимеры, могут быть проанализированы

нал от разных пикселей и позволяют считывать

путем сравнения штрих-кода неизвестной смеси с

информацию с помощью молекулярного штрих-

библиотекой эталонных штрих-кодов.

кодирования на основе простых изображений [29].

Резонансы с высокой добротностью создаются за

Угловое мультиплексирование - это многообеща-

счет использования геометрии резонаторов с на-

ющая концепция, позволяющая кодировать различ-

рушенной симметрией, поддерживающих другой

ные значения оптических параметров. На рисун-

тип связанных состояний в континууме [30]. Со-

ке 5a показана метаповерхность с мультиплексиро-

здавая пиксельную структуру метаповерхности,

ванием по углам [29], предназначенная для резонанс-

можно связать различные резонансы с конкретным

ного отражения в узком спектральном диапазоне во-

пикселем, отображая как спектральную, так и

круг частоты для каждого угла падения при освеще-

пространственную информацию. Степень абсорбции

нии широкополосным источником. Оптический от-

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (Мини-обзор)

665

клик обеспечивается высокодобротной диэлектриче-

функциональных возможностей новых двумерных

ской метаповерхностью, состоящей из анизотропных

материалов и гибридных структур. Не менее важ-

массивов германиевых резонаторов на подложке из

но, что активные наноантенны, поддерживающие

фторида кальция (CaF₂), которые коллективно вза-

резонансы Ми, могут использоваться в качестве ком-

имодействуют, создавая высокодобротные резонансы

пактных источников света с размерами в несколько

при отражении.

раз меньшими, чем длина волны излучения, что

Еще одно перспективное направление использо-

делает возможным в перспективе плотную фотон-

вания высокодобротных диэлектрических метапо-

ную интеграцию для эффективных встроенных

верхностей - это их объединение с атомарно тонки-

метаустройств.

ми монослоями дихалькогенидов переходных метал-

Новые технологии, основанные на проектирова-

лов (TMDC). Собственная нелинейность монослоев

нии мультипольных Ми и ССК резонансов, могут

TMDC невелика, что ограничивает их применение в

существенно улучшить взаимодействие света и веще-

нелинейной оптике. Однако эффективная нелиней-

ства, создавая резонансные ширины линий для при-

ная восприимчивость TMDC может быть существен-

менения в оптических устройствах. Сочетание пре-

но улучшена путем интеграции их с диэлектриче-

имуществ плоской оптики с диэлектрическими мета-

скими метаповерхностями, поддерживающими свя-

поверхностями может позволить реализовать новую

занные состояния в континууме. Недавно Бернхардт

стратегию управления фронтами оптических волн с

и соавторы [31] продемонстрировали, что монослой

помощью электромагнитного поля. В качестве од-

WS₂ в сочетании с кремниевой метаповерхностью,

ного из прорывных приложений хотелось бы упо-

поддерживающую ССК-моды, демонстрирует гене-

мянуть новый тип оптических биосенсоров и сенсо-

рацию второй гармоники, усиленную более чем на

ров хиральности молекул, использующих резонансы

3 порядка по сравнению с монослоем WS₂, помещен-

с высокой добротностью в пропускающих и отра-

ным поверх плоской кремниевой пленки той же тол-

жающих диэлектрических структурах и, таким об-

щины. Эти результаты открывают новые возмож-

разом, расширяющих каналы излучения доступные

ности использования диэлектрических метаповерх-

для детектирования, увеличивая как чувствитель-

ностей с высоким показателем преломления в каче-

ность устройства, так и возможности мультиплекси-

стве гибридных структур для усиления нелинейно-

рования.

стей TMDC в нелинейной микроскопии и оптоэлек-

Современная интегральная фотоника требу-

тронике.

ет разработки устройств, синтеза материалов,

На рисунке 5b схематично показана гибридная

технологий создания наноструктур и техник их

фотонная структура (вверху) для усиленных нели-

характеризации, и сочетание этих усилий будет

нейных эффектов, состоящая из монослоя WS₂, по-

лежать в основе новых открытий и приложений,

мещенного поверх кремниевой метаповерхности, со-

начиная от плоских линз и заканчивая квантовыми

зданной массивом пар квадратных наноструктур. На

вычислениями и хранением информации.

изображении ниже показаны измеренные спектры

Авторы выражают признательность своим кол-

интенсивности второй гармоники от монослоев WS₂,

легам и соавторам за ценное сотрудничество и

помещенных поверх оптимизированной метаповерх-

обсуждения, особенно К.Кошелеву, С.Макарову и

ности (красный) и поверх эталонной объемной Si-

М. Рыбину.

пленки (серая, увеличенная в 500 раз) с длиной вол-

Работа поддержана Российским научным фондом

ны накачки 832 нм.

(проект # 20-73-10183), Австралийским Исследова-

Заключение. Субволновые диэлектрические

тельским Советом (грант DP200101168) и Стратеги-

ческим фондом Австралийского национального уни-

структуры и метаповерхности с низкими потерями,

верситета.

поддерживающие резонансы с высокой доброт-

ностью, идеально подходят для применения в

нанофотонике для приложений, уже частично об-

1. S. Bozhevolnyi, V. Volkov, E. Devaux, J. Laluet, and

сужденных в “Письмах в ЖЭТФ” [32-34], а также

T. Ebbesen, Nature 440, 508 (2006).

генерации высших гармоник, биосенсоров и кван-

2. K. Koshelev and Y. Kivshar, ACS Photonics (2020), in

товых эффектов. Ми-резонансные наноантенны и

print; https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01315.

ССК-резонансные метаповерхности могут усили-

3. R. Won, Nature Photon. 13, 585 (2019).

вать нелинейный отклик гибридных материалов

4. M. V. Rybin, K. L. Koshelev, Z. F. Sadrieva,

при помещении таких материалов в ближнюю

K. B. Samusev, A. A. Bogdanov, M. F. Limonov,

зону резонансов Ми, что приводит к улучшению

and Y. S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 119, 243901 (2017).

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020

666

П.Тонкаев, Ю.Кившарь

M. Rybin and Y. Kivshar, Nature 541, 164 (2017).

A. A. Zakhidov, and S. V. Makarov, ACS Appl. Mater.

E. Tiguntseva, K. Koshelev, A. Furasova, P. Tonkaev,

Interfaces 11, 1040 (2019).

V. Mikhailovskii, E. V. Ushakova, D. G. Baranov,

20.

B. Tang, H. Dong, L. Sun, W. Zheng, Q. Wang, F. Sun,

T. Shegai, A. A. Zakhidov, Y. Kivshar, and

X. Jiang, A. Pan, and L. Zhang, ACS Nano 11(11),

S. V. Makarov, ACS Nano 14, 8149 (2020).

10681 (2017).

K. Koshelev, S. Kruk, E. Melik-Gaykazyan, J. H. Choi,

21.

V. Mylnikov, S. T. Ha, Z. Pan, V. Valuckas,

A. Bogdanov, H. G. Park, and Y. Kivshar, Science 367,

R. Paniagua-Dominguez, H. V. Demir, and

288 (2020).

A. I. Kuznetsov, ACS Nano 14, 7338 (2020).

L. Ding, D. Morits, R. Bakker, S. Li, D. Eschimese,

22.

P. Cheben, R. Halir, J. H. Schmid, H. A. Atwater, and

S. Zhu, Y.F. Yu, R. Paniagua-Dominguez, and

D. R. Smith, Nature 560, 565 (2018).

A.I. Kuznetsov, ACS Photonics 7, 1001 (2020).

23.

D. Lu, Y. F. Yu, D. Morits, M. Yu, A. Y. L. Thomas,

P. Cheben, P. J. Bock, J. H. Schmid, J. Lapointe,

H. S. Chu, L. S. Thor, E. P. Ching, R. Paniagua-

S. Janz, D.X. Xu, A. Densmore, A. Delage,

Dominguez, and A. I. Kuznetsov, Nanoscale (2020), in

B. Lamontagne, and T. J. Hall, Opt. Lett. 35, 2526

print; DOI: 10.1039/D0NR05248E.

(2010).

24.

J. Du, S. Liu, Z. Lin, J. Zi, and S. T. Chui, Phys. Rev.

10.

A. Ndao, L. Hsu, W. Cai, J. Ha, J. Park, R. Contractor,

A 79, 051801 (2009).

Y. Lo, and B. Kante, Nanophotonics 9, 1081 (2020).

25.

R. S. Savelev, A. P. Slobozhanyuk, A.E. Miroshnichen-

11.

G. P. Zograf, D. Ryabov, V. Rutckaia, P. Voroshilov,

ko, Y. S. Kivshar, and P. Belov, Phys. Rev. B 89, 035435

P. Tonkaev, D. V. Permyakov, Y. Kivshar, and

(2014).

S. V. Makarov, Nano Lett. 20, 5786 (2020).

26.

D. S. Filonov, A. E. Krasnok, A. P. Slobozhanyuk,

12.

P. A. Dmitriev, D. G. Baranov, V. A. Milichko,

P. V. Kapitanova, E. A. Nenasheva, Y. S. Kivshar, and

S. V. Makarov, I. S. Mukhin, A.K. Samusev,

P. A. Belov, Appl. Phys. Lett. 100, 201113 (2012).

A.E. Krasnok, P. A. Belov, and Y. S. Kivshar,

27.

R. M. Bakker, Y. F. Yu, R. Paniagua-Dominguez,

Nanoscale 8, 9721 (2016).

B. Luk’yanchuk, and A. I. Kuznetsov, Nano Lett. 17,

13.

I. Alessandri and J. R. Lombardi, Chem. Rev. 116,

3458 (2017).

14921 (2016).

28.

L. Ding, D. Morits, R. Bakker, S. Li, D. Eschimese,

14.

G. P. Zograf, M. I. Petrov, D. A. Zuev, P. A. Dmitriev,

S. Zhu, Y. F. Yu, R. Paniagua-Dominguez, and

V.A. Milichko, S.V. Makarov, and P. A. Belov, Nano

A. I. Kuznetsov, ACS Photonics 7, 1001 (2020).

Lett. 17, 2945 (2017).

29.

A. Leitis, A. Tittl, M. Liu, B. H. Lee, M. B. Gu,

15.

E. Y. Tiguntseva, G. P. Zograf, F. E. Komissarenko,

Y. Kivshar, and H. Altug, Science Advances 5, eaaw2871

D. A. Zuev, A. A. Zakhidov, S. V. Makarov, and

(2019).

Y.S. Kivshar, Nano Lett. 18, 1185 (2018).

30.

K. Koshelev, S. Lepeshov, M. Liu, A. Bogdanov, and

16.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky,

Y. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 121, 193903 (2018).

A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman,

31.

N. Bernhardt, K. Koshelev, S. J. U. White,

Nature Photon. 4, 395 (2010).

K. W. C. Meng, J. E. Fröch, S. Kim, T. T. Tran,

17.

S. Makarov, A. Furasova, E. Tiguntseva, A. Hemmetter,

D. Y. Choi, Y. Kivshar, and A. S. Solntsev, Nano Lett.

A. Berestennikov, A. Pushkarev, A. Zakhidov, and

20, 5309 (2020).

Y. Kivshar, Adv. Opt. Mater. 7, 1800784 (2019).

32.

Г. П. Зограф, Й. Ф. Ю, К. В. Барышникова,

18.

J. M. Richter, M. Abdi-Jalebi, A. Sadhanala,

А. И. Кузнецов, С. В. Макаров, Письма в ЖЭТФ

M. Tabachnyk, J. P. H. Rivett, L. M. Pazos-Outón,

107, 732 (2018).

K. C. Gödel, M. Price, F. Deschler, and R. H. Friend,

33.

E. V. Melik-Gaykazyan, K. L. Koshelev, J.-H. Choi,

Nat. Commun. 7, 13941 (2016).

S. S. Kruk, H.-G. Park, A. A. Fedyanin, and

19.

A.P. Pushkarev, V. I. Korolev, D. I. Markina,

Y. S. Kivshar, Письма в ЖЭТФ 109, 129 (2019).

F. E. Komissarenko, A. Naujokaitis, A. Drabaviĉius,

34.

А. М. Черняк, М. Г. Барсукова, А. С. Шорохов, А.И.

V. Pakŝtas, M. Franckeviĉius, S. A. Khubezhov,

Мусорин, А. А. Федянин, Письма в ЖЭТФ 111, 40

D. A. Sannikov, A. V. Zasedatelev, P. G. Lagoudakis,

(2020).

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 9 - 10

2020