ИСТИНА

Проект направлен на разработку методов синтеза и изготовлении планарных массивов самоорганизующихся нано- и микроструктур, или метаповерхностей, сформированных на основе органических молекул/полимеров, обладающих заданными электронными, оптическими и магнито-оптическими свойствами. Основной целью проекта является изготовление высокоэффективных нелинейных оптических структур, обладающих значительной величиной квадратичной восприимчивости и демонстрирующих большие величины магнито-оптических эффектов. Ключевым моментом здесь является конструирование структур с заданными нелинейными свойствами, что подразумевает необходимость обеспечения эффективной обратной связи изготовления и изучения свойств нано/микроструктур на микромасштабе. Высокие значения нелинейности будут достигнуты как за счет выбора материалов, образующих нано/микроструктуры, так и за счет формы и геометрии индивидуального нано / микроэлемента. Проект объединит усилия двух научных групп, специализирующихся в области разработки новых органических функциональных структурированных материалов (лаборатория профессора Раджирай Чандрасекара, университет Хайдарабад) и экспериментальных исследований нелинейно -оптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах (лаборатория доц. Татьяны Мурзиной, Московский государственный университет). Сочетание специализации и опыта двух исследовательских групп, а также их активное научное взаимодействие при проведении исследований позволит успешно решить поставленные в проекте задачи.

The project is aimed on the design and fabrication of planar arrays of self-assembled nano- and microstructures and microstructures, or metasurfaces, composed of organic molecules/polymers possessing definite electronic, optical, and magnetic functions. The main goal of the project is the development of high efficiency nonlinear optical meta-structures exhibiting high values of the second order susceptibility and of magneto-optical effects. The key point here is the design of the structures with required nonlinear properties, which implies the necessity to provide an effective feedback between their fabrication and characterization on the microscale. High nonlinearity of the surface will be achieved by using suitable constituent (organic) materials for the nano/microstructures, and also by crafting the right size and geometry of an individual nano/microelements.

Ожидаемые результаты: 1. Будут изготовлены нелинейные полимеры с донорно-акцепторными группами и/или стабильными радикалами, обеспечивающими высокие значения квадратичной нелинейности и/или магнитооптических эффектов. Будут проведены соответствующие пилотные измерения, подтверждающие успешную реализацию таких свойств. 2. На основе синтезированных полимеров методом контролируемой самоорганизации будут изготовлены нано / микроструктуры, которые могут обеспечить значительные эффекты локализации оптического поля. Форма наноструктур метаповерхности будет выбрана таким образом, чтобы обеспечить дополнительные функциональные свойства метаповерхности. В том числе, будут изготовлены метаэлементы в форме букв Т и L , упорядоченные в регулярный массивов на твердых подложках. Мы ожидаем, что правильный дизайн массива метаэлементов повысит НЛО отклик отдельной наночастицы. 3. Будут изготовлены тонкие пленки хаотически расположенных НЛО наночастиц (с размерами 100-150 нм). Будет проведено измерение параметров Стокса на частоте второй гармоники (ВГ) при различных азимутальных положениях структуры и для различных поляризаций излучения накачки, углы поворота плоскости поляризации может быть оценена в различных ориентациях образцов. Эти исследования будут предоставлять информацию о механизмах, определяющих НЛО отклик метаповерхности. 4. Будут синтезированы массивы оптических органических частиц, демонстрирующих волноводные свойства и состоящих из нанотрубок или элементов оптических волокон. Будет оптимизирована процедура самосборки структур и проведена их характеризация с использованием АСМ, электронной микроскопии и др. Будут проведены предварительные исследования оптических свойств изолированных частиц. Для отдельных наночастиц исследования нелинейно-оптических свойств будут проведены методом конфокальной микроскопии второй гармоники с разрешением по поляризации, в особенности это будет относиться к частицам из хиральных и магнитных полимеров. Эффекты локализации оптического поля будут изучены в структурах различного дизайна. Будет реализовано заполнение структур с волноводными свойствами (нанотрубок) магнитными наночастицами. Линейные и нелинейные магнитооптические исследования предоставят необходимую информацию о магнитооптических свойствах структур, что важно для выработки методов их оптимизации. 5. Будут синтезированы случайные массивы органических микрорезонаторных частиц, имеющих форму конусов, полусфер, дисков, колец. Будет проведена фемтосекундная спектроскопия их нелинейно-оптических свойств, в том числе с целью выявления возможности достижения лазерной генерации в таких структурах при относительно низких порогах возбуждения и при комнатной температуре. Использование полимеров с высокой поляризуемостью второго порядка приведет к высокой квадратичной восприимчивости и эффективной генерации второй гармоники. 6. Будут проведены исследования генерации второй оптической гармоники и гипер-рэлеевского рассеяния на нелинейных хиральных метаповерхностях. Таки эксперименты позволят выявить механизмы квадратичного нелинейно-оптического отклика и определить характерные масштабы локализации нелинейных источников в хиральных микроструктурах. 7. Все исследования будут сопровождаться численным моделированием распределения оптического поля в элементах метаповерхностей. Вычисления планируется проводить с использованием стандартных программных пакетов (COMSOL и др.).

Основным направлением деятельности индийской группы является синтез и изучение функциональных молекулярных твердотельных нано/микроструктур, находящихся на стыке физики и химии. В настоящее время группа занимается созданием органических фотонных твердотельных нано/микроструктур с помощью различных технологических подходов. В этом направлении проводятся исследования по синтезу красителей и полимеров, их самосборки, а также - исследования спектроскопии и микроскопии одиночных нано/микрочастиц для изучения их фотонных свойств. Коллектив относится к числу немногих исследовательских групп, работающих в направлении модификации органических / неорганических соединений для создания фотонных нано / микрокомпонент следующего поколения. Лаборатория нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов (Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова) специализируется в области экспериментального и теоретического исследования оптических и нелинейно-оптических эффектов в нано- и микроструктурах. Основными экспериментальными методами являются спектроскопия линейного и нелинейно-оптического отклика, 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.

За первый год выполнения проекта получены следующие основные результаты: 1. Методом самоорганизации изготовлены планарные массивы органических микроструктур на основе нелинейного полимера с красителем, имеющих форму полусфер, полых микростержней, усеченных конусов, имеющих различную поверхностную плотность. В качестве реперных структур были изготовлены однородные (без микроструктурирования) пленки аналогичного состава и толщины. Показано, что спектры люминесценции и поглощения всех типов структур соответствуют спектру объемного материала. 2. Методом микроскопии фотолюминесценции (ФЛ) обнаружено наличие набора высокодобротных резонансных мод в спектре люминесценции отдельных микроструктур, наблюдаемых в виде узких максимумов ФЛ в области широкополосного максимума люминесценции объемного красителя. 3. Собрана установка микроскопии оптической второй гармоники с разрешением по поляризации Изучены зависимости двухфотонной люминесценции и оптической второй гармоники образцов в виде полусфер и усеченных конусов на основе органического красителя от длины волны излучения накачки и ее мощности. Показано, что интенсивность ВГ возрастает как квадратичная функция интенсивности накачки и опережает рост интенсивности ДФЛ. 4. Показано, что генерация второй оптической гармоники и ДФЛ от массива микрочастиц, имеющих форму полусфер и усеченных конусов, имеют широкой угловой спектр рассеяния, форма которого модифицируется для разной геометрии возбуждения структур. 5. Обнаружено усиление интенсивности нелинейного отклика массива микроструктур по сравнению с однородной пленкой аналогичного состава, обусловленное эффектами локализации поля в микроструктурах. 6. Определен диапазон параметров для изучения взаимодействия нелинейного отклика одиночной микрочастицы с использованием метода конфокальной микроскопии (мощность 5-15 мВт, длина волны 760-820 нм, для образцов в виде усеченных конусов диапазон углов для регистрации рассеянного сигнала 50-70 град.).