ИСТИНА

Проект направлен на экспериментальное и теоретическое исследование оптических и нелинейно-оптических эффектов в гиротропных метаматериалах. Данный новый класс структур сочетает в себе уникальные функциональные свойства, которыми можно управлять путем соответствующего выбора материала, геометрии формы метаэлемента и их массива, и дополнительные возможности магнитооптического контроля. В рамках проекта планируется исследовать роль закона дисперсии, композиционного состава и микроструктуры метаматериалов в формировании их линейного и нелинейного магнитооптического отклика. Работа будет проводиться по трем основным направлениям: (i) Изучение оптических, нелинейно-оптических и магнитооптических эффектов в режиме гиперболической дисперсии и близкого к нулю показателя преломления в массивах металлических (золото, серебро, никель и композитных «благородный металл+никель») наностержней в матрице оксида алюминия. Образцы будут изготовлены исполнителями проекта по предварительно рассчитанным параметрам методом электрохимического травления оксида алюминия с последующим электроосаждением металлов в поры. Ожидается, что в таких средах будет реализовано переключение режима гиперболической дисперсии и близкого к нулю показателя преломления при наложении магнитного поля за счет усиленного в области особых дисперсионных точек магнитоиндуцированного изменения показателя преломления среды. (ii) Исследование магнитного управления эффектами оптической активности в линейном и квадратичном оптическом отклике 2D массивов пермаллоевых «U»-, «С»- и «О»-образных планарных наноэлементов. В таких зеркально-симметричных структурах возможно проявление так называемой наведенной хиральности («extrinsic chirality») в геометрии эксперимента, когда плоскость падения не совпадает с плоскостью симметрии массива. Приложенное в плоскости структуры магнитное поле нарушает ее симметрию и приводит к появлению хиральности отклика наноэлементов структуры, что модифицирует ее оптическую активность и открывает широкие возможности для контроля параметров (интенсивности, поляризации) взаимодействующего с образцом излучения. Эксперименты будут проведены в геометрии «на отражение», причем отклик будет детектироваться как в зеркальном направлении, так и в направлении первого дифракционного максимума, где ожидаются большие магнитные эффекты за счет исключения вклада подложки. (iii) Магнитооптические исследования композитных планарных пленок, образованных чередующимися слоями «ферромагнетик\немагнитный материал». Структуры состоят из двух подсистем слоев с разными типами магнитной анизотропии: одна подсистема имеет ось легкого намагничивания в плоскости пленки, а другая – перпендикулярно плоскости. Между подсистемами находится немагнитная прослойка, толщина которой будет варьироваться. В таких структурах параметры оптического и нелинейно-оптического отклика (интенсивность и фаза) зависят от состояния намагниченности и взаимодействия подсистем, что и будет впервые исследовано в данном проекте. Кроме того, в такой структуре с неколлинеарной намагниченностью теоретически предсказана возможность возникновения новых магнитооптических эффектов, симметрия которых соответствует протеканию спинового тока. Такие новые эффекты планируется впервые детектировать методом генерации оптической второй гармоники, известным своей чувствительностью к симметрийным, структурным и магнитным свойствам материала.

The project is devoted to experimental and theoretical research of optical and nonlinear optical effects in gyrotropic metamaterials. This new class of structures combines unique functional properties that can be controlled by the appropriate material selection, geometry of the meta-element shape and their array, and additional possibilities of magneto-optical control. Within the framework of the project it is planned to investigate the role of dispersion law, composition and microstructure of metamaterials in the formation of their linear and nonlinear magneto-optical response. The work will be carried out in three main directions: (i) The study of optical, nonlinear optical and magneto-optical effects in the regime of hyperbolic dispersion and close to zero refractive index in metal arrays (gold, silver, nickel and composite "noble metal + nickel") nanorods in an alumina matrix. Samples will be produced by the project realizers according to the previously calculated parameters by electrochemical etching of aluminum oxide followed by electrodeposition of metals into the pores. It is expected that in such media the switching of the hyperbolic dispersion and epsilon-near-zero regime will be realized when the magnetic field is applied due to the magnetization-induced changes in the refractive index of the medium amplified in the region of special dispersion points. (ii) Investigation of the magnetic field-assisted control of the effects of optical activity in the linear and second-order optical response of 2D arrays of permalloy "U" -, "C" - and "O" -shaped planar nanoelements. In such mirror-symmetrical structures, the so-called extrinsic chirality is possible in the geometry of the experiment, when the plane of incidence does not coincide with the plane of the array’s symmetry. The in-plane magnetic field, applied to the structure, breaks its symmetry and leads to the appearance of chirality of the response, which modifies its optical activity and opens up wide possibilities to control the parameters (intensity, polarization) of the radiation, interacting with the sample. The experiments will be performed in reflection geometry, with the response being detected both in the mirror direction and in the direction of the first diffraction peak, where large magnetic effects are expected due to the elimination of the substrate contribution. (iii) Magneto-optical studies of composite planar films formed by alternating layers of ferromagnetic\non-magnetic material. The structures consist of two subsystems of layers with different types of magnetic anisotropy: one subsystem has an easy magnetization axis in the plane of the film, and the other is perpendicular to the plane. Between the subsystems there is a non-magnetic layer, the thickness of which will be varied. In such structures, the parameters of the optical and nonlinear-optical response (intensity and phase) depend on the magnetization state and interaction of the subsystems, which will be firstly investigated in this project. In addition, in such a structure with a noncollinear magnetization, the possibility of the appearance of new magneto-optical effects, the symmetry of which corresponds to the spin current, is theoretically predicted. Such new effects are planned to be detected for the first time by the method of optical second harmonic generation, well known for its sensitivity to the symmetrical, structural and magnetic properties of the material.

Результаты, которые планируется получить в ходе выполнения проекта, внесут существенный вклад в развитие оптики и нелинейной оптики гиротропных метаматериалов, являющейся новой областью исследования метаматериалов. А именно: 1. Будет развита оптимизированная методика изготовления гиперболических сред на основе металлических (золотых, серебряных, никелевых, комбинированных золото\никель и серебро\никель) наностержней в матрице пористого алюминия, в которых режим гиперболической дисперсии и близкого к нулю показателя преломления реализуется в требуемом (оптическом) диапазоне. Это позволит сделать первый шаг на пути создания новых функциональных магнитных метаматериалов для задач магнитооптических устройств фотоники. 2. Экспериментально и теоретически будут изучены спектральные свойства изготовленных гиперболических структур на основе наностержней магнитных металлов в диэлектрической матрице, будут выявлены характерные особенности, присущие режиму гиперболической дисперсии. 3. Будет продемонстрированы возможности переключения режима гиперболической дисперсии и близкого к нулю показателя преломления путем приложения статического магнитного поля к магнитным композитам на основе наностержней металлов в пористом алюминии. 4. Будут выявлены эффекты локальных полей и их спектральных особенностей в формировании оптического и нелинейно-оптического отклика метаматериалов. Для решения этой задачи будут рассчитаны распределения электромагнитного поля в металлических наностержнях в матрице оксида алюминия в режиме гиперболической дисперсии. 5. Методом спектроскопии второй гармоники (ВГ) будут получены экспериментальные спектры интенсивности второй гармоники массива наностержней при различных условиях возбуждения структуры (углах падения зондирующего излучения, выбора поляризации падающего и зондирующего излучения), в том числе, при приложении магнитного поля. Будет выполнен анализ роли гиперболической дисперсии в формировании и управлении нелинейно-оптическим откликом. 6. Будут рассчитано распределение намагниченности в массивах «С», «U» и «О»-образных магнитных (на основе ферромагнитных металлов: пермаллоя, никеля) наноструктур на немагнитной подложке. Сопоставление рассчитанных гистерезисов намагниченности с гистерезисами линейного экваториального эффекта Керра. 7. Будут получены результаты изучения эффекта циркулярного дихроизма в линейном и квадратичном оптическом отклике массивов «С», «U» и «О»-образных магнитных наноструктур, в том числе при приложении статического магнитного поля, фиксированного относительно образца. Будет выполнен сравнительный анализ полученных результатов. На основе проведенных экспериментов будет сделана оценка относительной величины магнитоиндуцированной хиральной компоненты тензора квадратичной восприимчивости и ее сравнение с аналогами в немагнитных хиральных структурах, что определит перспективность такого рода структур (ранее не исследованных) для контроля поляризационных свойств взаимодействующего с ними излучения. Будет выявлена оптимизированная геометрия эксперимента (угол падения и азимутальная ориентация, комбинации поляризаций накачки и ВГ) для магнитоуправления эффектами наведенной хиральности. 8. Будут измерены петли гистерезиса коэффициента отражения (прохождения) при приложении магнитного поля в различных геометриях (экваториальной, меридиональной и полярной) для серии мультислойных составных магнитных пленок с различными толщинами платиновой прослойки между подсистемами. Сравнение с результатами расчетов намагниченности. 9. Измеренные петли гистерезиса магнитоиндуцированной второй гармоники (ВГ) при приложении магнитного поля в различных геометриях, в том числе, при фиксировании намагниченности одной подсистемы и варьировании намагниченности другой. Данные эксперименты позволят выявить роль спинового тока, наведенного в таких структурах в результате взаимодействия различных магнитных подсистем, а также новые эффекты в квадратичном нелинейно-оптическом отклике структур с неколлинеарной намагниченностью. 10. Определение оптимальных параметров структуры и геометрии эксперимента для наблюдения спинового тока.

Лаборатория нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов, сотрудники которой являются исполнителями проекта, специализируется в области экспериментального и теоретического исследования оптических и нелинейно-оптических эффектов в магнитных тонких пленках, нано- и микроструктурах методами линейно -оптической и нелинейно-оптической диагностики, основанными на комбинированном анализе спектров амплитуды и фазы излучения оптических гармоник, анизотропии, направленности и поляризации излучения на частоте соответствующей гармоники. Коллектив участников проекта также владеет численными методами (FDTD и др.) расчета распределения электромагнитного поля в наноструктурах на оптических частотах, а также методами расчета распределения статической намагниченности в структурах различного дизайна (пакет Object Oriented Micromagnetic Framework).