Нанофотоника поляритонных и хиральных наноструктур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Баранов Денис Григорьевич

• Баранов Денис Григорьевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Баранов Денис Григорьевич

1.3 Цели и задачи работы

1.4 Научная новизна работы

1.5 Теоретическая и практическая значимость работы

1.6 Методология и методы исследования

1.7 Положения, выносимые на защиту

1.8 Степень достоверности и апробация результатов

2 Безрезонаторные поляритоны

2.1 Безрезонаторные поляритоны

2.2 Оптические свойства поляритонных нанодисков

3 Мета-атомы для ультра-сильной связи

3.1 Плазмонные мета-атомы: теоретическая модель

3.2 Плазмонные мета-атомы: эксперимент

4 Эффект Казимира для само-сборки оптических резонаторов

4.1 Само-сборка оптических резонаторов: теория

4.2 Само-сборка оптических резонаторов: Эксперимент

5 Хиральные резонаторы и поляритоны

5.1 Хиральные оптические резонаторы

5.2 Теория хиральных поляритонов

5.3 Хиральные супер-кристаллы

6 Заключение 60 Список цитируемой литературы

Список публикаций по теме диссертации

Глава

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нанофотоника поляритонных и хиральных наноструктур»

1.1 Актуальность темы исследования

Данная работа представляет собой комплексное исследование на стыке физики и нанотехнологии, признанных приоритетным направлением развития науки и техники во многих странах мира, включая Российскую Федерацию.

Свет, и электромагнитное излучение в целом, является переносчиком как энергии, так и информации, цифровой и сенсорной. Взаимодействие оптического излучения с веществом является краеугольным камнем на стыке классической электродинамики и квантовой оптики. Теория взаимодействия электромагнитного излучения с возбуждениями вещества описывает широчайший круг явлений: от спонтанного и вынужденного излучения до комбинационного рассеяния и фотолюминесценции. Детальное понимание взаимодействия света с веществом играет поэтому ключевую роль для проектирования источников света, таких как лазеры, светодиоды.

Одной из ключевых характеристик взаимодействия является константа связи между двумя осцилляторами, представляющими оптическую моду резонатора и резонанс материала. В режиме, когда скорости затухания в системе превосходят константу связи, взаимодействие света с веществом можно рассматривать как возбуждение. Именно в режи-

ме слабой связи происходит большое количество известных оптических явлений.

При увеличении константы взаимодействия система переходит в режим сильной связи: собственными состояниями системы становятся по-ляритоны. Поляритоны - связанные состояния оптических колебаний и возбуждений вещества - являются одним из центральных понятий современной оптики. Благодаря волновой функции, которая характеризуется как фотонной, так и материальной компонентой, поляритон становится гибридным состоянием. Эта природа во многом определяет уникальные оптические и микроскопические свойства, которые проявляют поляри-тоны в различных физических системах.

Другим важным аспектом данной диссертационной работы является явление оптической хиральности. Хиральность - распространенное геометрическое явление, встречающееся на различных масштабах, в том числе, среди органических и био-молекул. Действуя на биологический рецептор, противоположные энантиомеры одной и той же молекулы могут вызывать совершенно различные реакции, например запах или вкус. Это обстоятельство еще более критично для фармацевтики, где противоположный энантиомер лекарственной молекулы может быть токсичным. Таким образом, развитие класса технологий, связанных с разделением хиральных энантиомеров, является критически важным для современной биотехнологии, фармакологии, и медицины. В этом контексте, актуальной является задача о разработке класса оптических резонаторов, которые могли бы селективно взаимодействовать только с конкретным (правым или левым) молекулярным энантиомером, при этом не взаимодействуя с противоположным. Однако, на сегодняшний день не представлено подобных оптических структур.

В диссертации был исследован широчайший круг поляритонных наноструктур и обнаружены новые эффекты, обладающие как фундаментальным, так и практическим значением. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования направлены на развитие перспективной отрасли в науке и технологии - управление оптическим откликом по-

ляритонных структур. Актуальность работ обеспечивается потенциалом использования полученных результатов в системах обработки оптических сигналов нового поколения.

1.2 Степень разработанности темы исследования

Нанофотоника - область на стыке электродинамики и квантовой оптики, занимающаяся исследованием взаимодействия оптического излучения с нанообъектами, такими как атомы, молекулы, наночастицы и их массивы - являлась предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований несколько последних десятилетий.

Взаимодействие между электромагнитным излучением и квантовыми источниками света является фундаментальным аспектом электромагнетизма и квантовой оптики, лежащим в основе широчайшего спектра наблюдаемых явлений, начиная от спонтанного излучения до лазерной генерации и более сложных эффектов. Сила взаимодействия между веществом и оптическим резонатором обычно характеризуется частотой Раби, которая отражает скорость обмена энергией между веществом и электромагнитной модой [1].

Слабая сторона этого взаимодействия, проявляющаяся в спонтанном излучении квантовых излучателей, лежит в основе работы некогерентных источников света. В течение последних десятилетий много усилий было уделено теоретическим исследованиям и разработке наноструктур, которые позволяют ускорять спонтанное излучение посредством эффекта Парселла [2, 3]. Сильная связь - это особый режим взаимодействия света с веществом, когда частота Раби превышает скорость затухания электромагнитной моды. Этот режим взаимодействия проявляется в когерентных колебаниях энергии между материей и фотонной подсистемой. В пространстве собственных энергий это приводит к модификации спектроскопического отклика системы таким образом, что возникают две новые собственные моды, разделенные частотой Раби [1].

Возможность достижения режима сильной связи зависит от характе-

ристик двух ингредиентов, участвующих во взаимодействии: оптической моды и квантовых излучателей. Величина расщепления Раби пропорциональна переходному дипольному моменту квантовых излучателей, образующих экситонную подсистему. С другой стороны, расщепление Раби пропорционально значению вакуумного электрического поля. По этой причине определенные комбинации оптических резонаторов и квантовых источников становятся более подходящими для наблюдения режима сильной связи [4].

При дальнейшем увеличении константы связи она будет не только превосходить скорости затухания, но и саму частоту оптического резонатора - данный режим называется ультрасильным взаимодействием [5]. В этом режиме часто совершаемое приближение вращающейся волны оказывается несправедливым. Помимо этого, оказывается необходимым учесть так называемое диамагнитное слагаемое в гамильтониане взаимодействия. Строгое решение задачи на собственные уровни энергии такого полного гамильтониана предсказывает много необычных эффектов, среди которых - зависимость энергии квантово-механического вакуумного состояния системы от величины константы связи, и ненулевая фотонная заселенность основного уровня системы при нулевой температуре [6].

Режим ультрасильной связи стал активно исследоваться лишь в последнее время. Начало этим исследованиями положила работа [7], в которой был сделан вывод о модификации квантово-механического вакуумного состояния системы при достижении режима ультрасильной связи. Последовало больше количество теоретических работ, предсказывающих новые эффекты, таких как излучение виртуальных фотонов из основного состояния и работ, реализующих этот режим взаимодействия в различных платформах. Несмотря на значительные успехи в области, существующие платформы для реализации режима ультрасильной связи зачастую требуют сложных экспериментальных условий, таких как охлаждение до низких температур, или присутствие постоянного магнитного поля.

Взаимодействие хирального электромагнитного поля с хиральным ве-

ществом приводит к эффекту кругового дихроизма, который лежит в основе многочисленных методов дискриминации молекулярных энантио-меров [8]. Усиление эффектов кругового дихроизма обычно достигается за счет взаимодействия хиральных молекул с оптическими резонаторами [9, 10, 11]. В свете данного обстоятельства важно понимать, каким образом понятие оптической хиральности переносится на собственные моды оптических резонаторов.

Если рассмотреть самый резонатор Фабри-Перо, образованный двумя однородными металлическими зеркалами, можно было бы ожидать что возбуждение такой структуры светом с круговой поляризацией привело бы к возбуждению хиральной моды. В действительности, собственные моды такого резонатора (при нормальном падении) оказываются полностью лишены свойства хиральности - смена хиральности волны при каждом отражении от металлического зеркала создает в итоге стоячую волну с точно нулевой плотностью хиральности [12]. Хотя был достигнут определенный прогресс в разработке сохраняющих хиральность резонаторов [13], в целом вопрос о подходах к разработке подобных оптических структур остается открытым.

1.3 Цели и задачи работы

Основной целью работы являлся поиск качественно новых оптических эффектов в поляритонных и хиральных наноструктурах, их последующая экспериментальная верификация, и поиск практических применений найденных эффектов.

Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

• Исследование безрезонаторных поляритонов: структур с сильной связью между резонансом вещества и оптической модой в монолитном объекте. Исследование поляритонных мод в оптически резонансных нанодисках, поддерживающих резонансы Ми.

• Исследование оптических свойств мета-атомов для замещения мо-

лекулярных источников в поляритонных системах. Исследование режима ультра-сильной связи между светом и мета-атомами; исследование вакуумного состояния в поляритонных системах.

• Экспериментальное изучение само-сборки оптических наноструктур с помощью эффекта Казимира. Изучение методов перестройки самособирающихся резонаторов.

• Разработка оптических резонаторов для реализации чистых хи-ральных поляритонов. Исследование влияния режима сильной связи между светом и веществом на состояние хиральных квантовых источников.

• Исследование новых, упрощенных подходов к разработке и дизайну оптических наноструктур с хиральным оптическим откликом.

1.4 Научная новизна работы

В рамках решения поставленных задач получены следующие приоритетные результаты:

• Исследован режим сильной связи и поляритонные состояния в системах, где в качестве оптической моды и резонанса среды выступает один материал. Были теоретически исследованы «безрезона-торные» поляритоны и продемонстрирована их общая природа и распространенность в широком классе структур и материалов.

• Впервые продемонстрировано возникновение поляритонных мод в монолитных нанодисках дисульфида вольфрама, поддерживающих оптические резонансы Ми. Исследовано экспериментально влияние возбуждаемых анапольных решений в подобных дисках на усиление комбинационного рассеяния.

• Предложен принципиально новый подход для достижения режима ультрасильной связи, основанный на использовании резонансов

металлических наночастиц в качестве мета-атомов с дипольными переходами. Установлен универсальный верхний предел на коллективную константу связи между ансамблем сферических плазмон-ных мета-атомов и оптической модой свободного пространства.

• Экспериментально продемонстрировано возникновение режима ультрасильной связи между массивом плазмонных мета-атомов и модой резонатора Фабри-Перо. Продемонстрировано возникновение гибридных поляритонов в ансамбле молекулярных оптических источников, часть которых замещена плазмонными мета-атомами с совпадающей резонансной частотой и значительно большей силой осциллятора.

• Исследован принципиально новый подход для создания самоорганизующихся оптических резонаторов. Само-сборка основана на совместном действии вакуумной силы Казимира и электростатического отталкивания, возникающих между двумя металлическими пленками в растворе, содержащем ионы соли. Продемонстрирован экспериментально процесс сборки поляритонных наноструктур с помощью данного подхода; продемонстрирована перестройка получаемых структур в реальном времени с помощью оптической модуляции.

• Исследован режим сильной связи при взаимодействии геометрически хиральных мета-атомов с модой Фабри-Перо резонатора, экспериментально обнаружен режим расщепления Раби в спектрах кругового дихроизма. Установлены фундаментальные физические ограничения, препятствующие возникновению "чи-стых"хиральных поляритонов.

• Впервые предложен новый тип асимметричных оптических резонаторов, поддерживающих хиральные резонансные моды лишь определенной спиральности в отсутствие мод противоположной спи-ральности. Вакуумные флуктуации поля такого резонатора при-

обретают хиральный характер, приводя к разной скорости спонтанного излучения правых и левых хиральных источников внутри резонатора.

• Построена квантово-механической модель для аналитического описания поляритонных мод, образующихся при сильном взаимодействии ансамбля хиральных квантовых источников, таких как хи-ральные молекулы или мета-атомы, с оптическими модами одно-модовых оптических резонаторов.

• Предложен теоретически и экспериментально продемонстрирован новый подход для создания оптически хиральных фотонных структур, основанный на стекинге слоев двуосных ван дер Ваальсовых материалов. Метод позволяет создавать оптические наноструктуры с желаемым поляризационным откликом без использования на-нолитографии на всех этапах.

1.5 Теоретическая и практическая значимость работы

Исследования, составляющие данную диссертационную работу, посвящены физике оптических поляритонов - гибридных состояний, возникающих в режиме сильной связи между оптической модой и возбуждением вещества, таким как электронный переход атома, молекулы или, квантовой точки, экситон полупроводника, или колебание кристаллической решетки. Поляритоны являются одним из центральных понятий современной оптики и физики конденсированного состояния. Исследование новых режимов взаимодействия фотонных мод с резонансами вещества откроет дорогу к качественно новым способам управлять электромагнитным излучением, и к оптическим устройствам с принципиально новым функционалом - таким как платформы для аналоговой обработки изображений и сигналов, и чувствительных систем молекулярного детектирования. Таким образом, понимание оптического отклика поляри-

тонных систем и возможность включить другие электродинамические аспекты в сильное взаимодействие света с веществом, такие как анизотропия, хиральность, и нелинейность, обладают как фундаментальной, так и практической ценностью для различных областей современной науки и технологий.

• Исследовано возникновение поляритонных состояний в двумерных полупроводниках - новом классе материалов, проявляющих уникальные механические и оптические свойства. Были исследованы поляритоны в свободных пленках и в наноструктурированных объектах и двумерных полупроводников. Продемонстрировано возникновение поляритонных состояний в наноструктурах, где в качестве оптической моды и резонанса среды выступает один материал. Данное наблюдение значительно расширяет наши знания о распространенности поляритонных структур и предлагает более гибкие и простые рецепты создания таких систем.

• Помимо традиционных поляритонов, в которых возбуждением вещества выступают поглощающие переходы молекул, были впервые исследованы свойства более экзотичных поляритонов, образованные замещением молекулярных источников мета-атомами -резонансными металлическими наночастицами, «маскирующимися» под микроскопические источники, и позволяющие создавать гибко настраиваемые поляритонные состояния с гигантской константой связи. Полученные результаты будут иметь важное значение для фундаментальных исследований экзотического режима ультрасильного взаимодействия между источниками и электромагнитным полем.

• Исследован принципиально новый подход для создания самоорганизующихся оптических резонаторов. Был предложен уникальный метод само-сборки оптических резонаторов с посредством вакуумных взаимодействий (силы Казимира) между зеркалами, помещенными в раствор соли. Данное наблюдение предлагает принципи-

ально новый способ создания самоорганизующихся оптических резонансных структур напрямую в растворе, сохраняющих устойчивость в течение продолжительного времени, без привлечения затратных методов нано-фабрикации. Получен существенный теоретический, экспериментальный и технологический задел для создания нового класса управляемых материалов с управляемой извне устойчивой конфигурацией

• Были разработаны диэлектрические зеркала с необычным поляризационным откликом, сохраняющие хиральность отраженного света при падении по нормали для плоской волны правой закрутки, и в то же самое время пропускающего плоскую волну противоположной (левой) закрутки на той же длине волны. Исследование взаимодействия таких резонаторов с веществом позволит лучше понять физику оптического отклика хиральных молекул, откроет дорогу к изучению хиральных поляритонов, и может положить начало совершенно новой области оптики - хиральной поляритоники.

1.6 Методология и методы исследования

Работа выполнена с использованием современных методов исследований. Теоретический анализ распространения и взаимодействия света с пла-нарными наноструктурами выполнялся путем сочетания современных аналитических и численных методов.

Для аналитического описания рассеяния света от планарных многослойных структур содержащие произвольные анизотропные пленки применялся хорошо известный метод матриц переноса (transfer-matrix method). Данный метод позволяет точно решить задачу прохождения и отражения плоских волн от произвольной слоистой структуры, и аналитически вычислить распределение поля внутри структуры. Для анализа режима взаимодействия в поляритонных структурах и оценки константы связи использовались метод связанных осцилляторов и теория связанных мод. Для анализа получающихся коэффициентов прохожде-

ния/отражения от поверхностей анизотропных материалов и распределения полей будет использоваться пакет Wolfram Mathematica, позволяющий произвольным образом обрабатывать большие массивы данных и представлять графически итоговую информацию.

Численное моделирование компактных структурах и периодических метаповерхностей, составленных из них, выполнялось путем сочетания специализированных, находящихся в свободном доступе и коммерческих, программных пакетов. Вычислительные методы в области электродинамики играют центральную роль для моделирования и дизайна устройств нанофотоники, поскольку позволяют решать уравнения Максвелла в трех измерениях без каких либо приближений. Принимая во внимание то, что задача о нахождении собственных мод может быть аналитически решена только в нескольких наиболее простых случаях (слой, круговой цилиндр, сфера), для изучения резонаторов на основе фотонных кристаллов конечных размеров, в присутствии подложки, из материалов с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости материала и т.д, мы будем использовать лицензионное программное обеспечение для имитационного моделирования.

Этим программным обеспечением является лицензионный пакет Lumerical FDTD solver, использующий методы конечных разностей во временной области. FDTD метод позволяет быстро и эффективно решать задачу в диапазоне длин волн, для которого известна дисперсия диэлектрической проницаемости материала. Кроме того, Lumerical FDTD solver предлагает гибкий инструмент для проведения серии симуляций с варьированием геометрических параметров структуры, что позволяет эффективно решать задачу оптимизации структуры и поиска оптимальных геометрических параметров

Для аналитического моделирования эффекта Казимира в однородных планарных структурах мы будем использовать зарекомендовавший себя метод Лифшица, основанный на матрицах переноса слоистых структур. Метод Лифшица основан на математическом приеме, известном как поворот Вика: используя свойство аналитичности функции отклика си-

стемы (функции Грина) в верхней полуплоскости частот, суммирование быстро осциллирующей плотности состояний удается свести к интегрированию по мнимой оси, вдоль которой соответствующая функция быстро затухает и легко интегрируется. Метод Лифшица позволяет точно решить задачу о вакуумном потенциале произвольной слоистой структуры, содержащей среды с произвольной (но аналитической) дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей, используя лишь методы классической электродинамики, и вычислить силы, действующие на зеркала.

Для квантово-механического описания взаимодействия между резо-нансами хиральных дипольных молекул и модами хиральных оптических резонаторов, и для описания вакуумного состояния использовал строгий метод на основе микроскопического гамильтониана системы заряженных частиц. Моделирование взаимодействующей хиральной системы было выполнено с помощью наиболее полного квантово механического Гамильтониана - гамильтониана Хопфильда, включающего в себя как быстро вращающиеся слагаемые, так и квадратичные поправки (диамагнитное слагаемое). Использование данного подхода позволяет корректно описать систему даже при больших значениях коллективной константы связи между оптической модой и резонансом среды и сделать выводы об изменении энергии вакуумного состояния системы.

1.7 Положения, выносимые на защиту

1. Оптические моды нанодиска из дисульфида вольфрама взаимодействуют с экситонным резонансом, приводя к появлению «безрезо-наторных» поляритонов. В нанодиске с большим аспектным соотношением взаимодействие ведет к появлению анаполь-экситон-поляритонов.

2. Возбуждение анапольного состояния в кремниевом нанодиске приводит к усилению комбинационного рассеяния одновременно с подавленным упругим рассеянием света на длине волны возбуждаю-

щего лазера.

3. Безразмерная константа связи между дипольным резонансом ансамбля плазмонных мета-атомов и фотоном свободного пространства ограничена универсальным пределом, и линейно растет с увеличением аспектного соотношения сфероидных мета-атомов.

4. Массив плазмонных мета-атомов взаимодействует с модой резонатора Фабри-Перо в режиме ультрасильной связи, приводя к появлению гибридных поляритонных мод и модификации энергии основного состояния системы.

5. Взаимодействие металлических нано-пленок в растворе соли под действием силы Казимира и электростатического отталкивания ведет к сборке устойчивых наноструктур с резонансами Фабри-Перо в видимом диапазоне. Добавление слоя двумерного полупроводника ведет к образованию поляритонных состояний с перестраиваемыми в реальном времени характеристиками.

6. Помещение хиральных мета-атомов в резонатор Фабри-Перо ведет к модовому расщеплению кругового дихроизма. Обращение спи-ральности плоской волны при отражении от плоского зеркала ограничивает величину кругового дихроизма.

7. Между двумя отражающими метаповерхностями с низкой симметрией возникают резонансные стоячие моды определенной хираль-ности. При взаимодействии резонанса хиральной среды с модой подобного резонатора возникают хиральные поляритоны с асимметричной энергией основного состояния.

8. Спиральная многослойная структура, собранная без использования литографии из пленок двуосных ван-дер-Ваальсовых кристаллов с оптической анизотропией в горизонтальной плоскости, демонстрирует хиральный оптический отклик.

1.8 Степень достоверности и апробация результатов

В настоящей работе применялись современные экспериментальные методы и теоретические модели, проводились контрольные проверки, обеспечивающие достоверность результатов. Все полученные результаты опубликованы в авторитетных высокорейтинговых рецензируемых профильных журналах, таких как Physical Review B, ACS Photonics, Nano Letter, Science Advances, Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nature.

Кроме того, основные результаты были представлены в виде докладов на множестве профильных международных конференциях, в том числе в виде приглашенных, пленарных докладов на следующих конференциях:

• "Raman Scattering from Silicon Nanoparticles Enhanced by Dipole Mie Resonances", ICEM16, Singapore, July, 2016.

• "Ideal light capturing by a Hermitian system", SPP8, Taiwan, June, 2017 (стендовый).

• "Coherent control of light for virtual absorption and wireless power transfer", Days on Diffraction'2018, St. Petersburg, Russia, 2018

• "Enhanced Raman emission by non-scattering anapole mode of a silicon nanodisk", Days on Diffraction'2018, St. Petersburg, Russia, 2018

• "Effects of strong coupling at the single nanoparticle level", 49th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics, Snowbird, USA, 2019 (приглашенный)

• "Merging excitons and Mie resonances in monolithic TMDC nanoantennas", EI Nano workshop, Goteborg, Sweden, 2019

• "Strong and ultrastrong coupling at room temperature without quantum emitters", Nanolight 2020, Benasque, Spain, 2020 (приглашенный)

• "Nanoparticle plasmons for chiral and ultrastrong coupling at ambient conditions", METANANO 2020, Tbilisi, Georgia, 2020 (приглашенный)

• "Chiral light in single-handed Fabry-Perot resonators", METANANO 2021, St. Petersburg, Russia, 2021 (приглашенный)

• "Chiral vacuum in single-handedness Fabry-Perot cavities", CECAM Workshop, Bordeaux, France, 2022 (приглашенный)

• "Fundamental research: the what, the how, and the why", Resonant Nanophotonics Educational Workshop, Skolkovo, Russia, 2023

• "Chiral molecular polaritons: cavities, analytical models, & applications", Days on Diffraction, St. Petersburg, Russia, 2023 (приглашенный)

• "Self-assembly of optical resonators with Casimir and electrostatic forces", XXXIX Fortov International Conference on Equations of State for Matter, Cheget, Russia, 2024

• "New Twists on Dielectric Chiral Meta-mirrors: Cavities, Polaritons, and van der Waals Platforms", International workshop on Nanophotonics: Fundamentals, materials, designs, and applications, Qingdao, China, 2024

• "New Twists on Dielectric Chiral Meta-mirrors: Cavities, Polaritons, and van der Waals Platforms", PIERS 2024, Chengdu, China, 2024 (приглашенный)

• "Casimir and electrostatic forces for self-assembly of optical cavities", NANOTR-18, Istanbul, Turkey, 2024 (приглашенный)

• "Novel approaches to chiral meta-mirrors, asymmetric cavities, and polaritons", ALT'24, Vladivostok, Russia, 2024 (приглашенный)

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Баранов Денис Григорьевич, 2025 год

источника.

Не только тела, но и электромагнитное поле может обладать свойством хиральности. Простейшим примером хирального электромагнитного поля являются право- и лево-поляризованные плоские волны, Рис. 5.1(д), монохроматические поля которых удовлетворяют соотношениям:

ZН-ьсрг = —гЕьсрг, ZИдсрг = гЕисрг. (5.3)

Хиральность поляризованной по кругу плоской волны сохраняется при вращении в пространстве, а также при обращении времени. Однако она меняется на противоположную при зеркальном отражении или инверсии. В случае пространственно неоднородного поля локальная хиральность описывается плотностью оптической хиральности:

С г, и = ^ ЗшЕ • Б*. (5.4)

Произвольное неоднородное монохроматическое поле в однородной среде раскладывается на право- и лево-поляризованную компоненту, каждая из которых является собственным вектором оператора спиральности, Рис. 5.1(е).

Наконец, пропускание хирального электромагнитного поля через образец хирального вещества (однородная пленка или субдифракционная метаповерхность) сопровождается эффектом кругового дихроизма, асимметричными амплитудами пропускания правого света в правый и левого в левый:

Ъее Ф Ь. (5.5)

В данной главе выработан подход к разработке низко-симметричных резонаторов, обладающие модами Фабри-Перо с заданной хиральностью, построена теория взаимодействия оптических мод таких резонаторов с ансамблями хиральных квантовых источников в поляритонном режиме, и сделан интригующий вывод об асимметрии энергии основного состояния ансамбля хиральных источников внутри асимметрчиного хирально-го резонатора.

(в) ипро! ^аПБГШБЮП

(г) Огс сПсИгокт

...... сау^

- Ьаге рагИс^еэ

- сау^+рагййеэ (х40)

- сау^+рагййез (х40),

— Ьаге рагАЫеэ

ир

Ь 0.04

400

500 600 700 800 ^Л/ауе1епдШ, пт

900

500 600 700 800 У\/ауе1епд111, пт

900

Рис. 5.2: Поляритонное расщепление с хиральными мета-атомами (а) Иллюстрация изучаемой системы: массив хиральных рассеивателей (молекул, мета-атомов) взаимодействует с модой резонатора Фабри-Перо. (б) Иллюстрация одиночного хираль-ного плазмонного мета-атома, и изображение массива мета-атомов полученное сканирующей электронной микроскопией. (в) Спектры неполяризованного пропускания пустого Фабри-Перо, массива мета-атомов на подложке, и гибридной системы. (г) Спектры кругового дихроизма пустого Фабри-Перо, массива мета-атомов на подложке, и гибридной системы.

5.1 Хиральные оптические резонаторы

Подход замещения микроскопических источников света на мета-атомы был использован для исследования сильной связи между ансамблем хиральных мета-атомов и модами резонатора Фабри-Перо, Рис. 5.2(а). Для этой цели была развита технология нанофабрикации металлических на-ноантенн, обладающих геометрической хиральностью, Рис. 5.2(б).

Путем помещения хиральных мета-атомов внутрь резонатора Фабри-Перо удалось добиться расщепления Раби в спектре неполяризованного пропускания, Рис. 5.2(в), по аналогии с описанными выше массивами

нехиральных плазмонных мета-атомов.

Геометрическая хиральность проявляется в спектре кругового дихроизма то есть асимметричных амплитуд пропускания право- и лево-поляризованного света. Измерения наглядно демонстрируют, что модо-вое расщепление появляется так же и в спектре кругового дихроизма, Рис. 5.2(г). Однако, величина кругового дихроизма в гибридной системе мета-атомы + резонатор значительно падает по сравнению с тем же ансамблем мета-атомов на подложке, Рис. 5.2(г).

Плоская поляризованная по кругу волна при падении по нормали на изотропное зеркало меняет свою хиральность на противоположную независимо от материальной композиции зеркала. Данное обстоятельство ведет к тому, что собственные моды резонатора Фабри-Перо при нормальном падении оказываются полностью лишены хиральности - смена хиральности волны при каждом отражении от металлического зеркала создает стоячую волну с нулевой плотностью хиральности [12]. Данное обнуление хиральности стоячей волны ограничивает величину кругового дихроизма, которую можно наблюдать с хиральной пленкой внутри резонатора Фабри-Перо, несмотря на резонансное усиление электромагнитного поля. Таким образом, встает вопрос о разработке оптических резонаторов, поддерживающие резонансные состояния с заданной оптической хиральностью.

Был предложен новый тип оптических резонаторов, поддерживающих хиральные резонансные моды лишь определенной хиральности (правой или левой) в отсутствие мод противоположной хиральности, Рис. 5.3(а) [А41]. В качестве зеркал выступает диэлектрическая мета-поверхность, представляющая из себя мембрану с периодическим массивом круговых и эллиптических отверстий, Рис. 5.3(б). Данная геометрия одиночного зеркала основана на работе [42].

Симметрия элементарной ячейки данной структуры является определяющим фактором в контексте отражения с сохранением хиральности света. Наличие оси вращения максимум второго порядка вокруг оси г нарушает сохранение оптического спина, что в свою очередь позволяет

сохранить хиральность. Нарушение любой вертикальной плоскости зеркальной симметрии позволяет добиться различного поведения при взаимодействии системы с право- и лево-поляризованным светом.

Путем варьирования геометрических параметров элементарной ячейки удается добиться близкого к идеальному отражения право-поляризованной волны в правую на резонансной длине волны, Рис. 5.3(в), и одновременно обеспечить прозрачность структуры для противоположно поляризации.

Расположение двух параллельных зеркал на определенном расстоянии друг от друга с одновременным отражением одного из них приводит к образованию резонатора Фабри-Перо, поддерживающего моды лишь правой закрутки, но не левой, в рассматриваемом диапазоне длин волн, Рис. 5.3(г). Облучение такой структуры левой поляризацией приводит к возбуждению резонансной стоячей волны с сильно отрицательной плотностью хиральности (соответствующей полю с правой закруткой), в том время как облучение правой поляризацией не вызывает заметного резонансного отклика, Рис. 5.3(г, д).

Наконец, не только отклик на падающее поле, но и вакуумные флуктуации поля такого резонатора приобретают хиральный характер, приводя к разной скорости спонтанного излучения правых и левых точечных хиральных источников, Рис. 5.3(е).

5.2 Теория хиральных поляритонов

Наконец, с помощью концепции асимметричных хиральных резонаторов, введенных выше, была построена микроскопическая теория хиральных поляритонов [А43]. Был рассмотрен ансамбль элементарных идентичных хиральных точечных источников, взаимодействующих с оптической модой хирального резонатора, Рис. 5.4(а). Хиральная версия гамильтониана Хопфильда принимает вид [А44]:

Н = ЯШаг НАеЫ НШ

(5.6)

(а)

790 795 800 805 810 УУауе1епд1И, пт

796 797 798 799 800 801 Л, пт

' 796 797 798 799 800 801 Л,пт

797.5

798.0 798.5 Л, пт

799.0

Рис. 5.3: Асимметричный хиральный оптический резонатор. (а) Иллюстрация мо-дового состава системы: искомый резонатор поддерживает стоячую волну с правой хиральностью, но составляющие зеркала прозрачны для противоположной хирально-сти. (б) Элементарная ячейка зеркала, сохраняющего хиральность излучения при отражении. Зеркало выполнено из диэлектрической мембраны. Ячейка обладает осью вращения второго порядка, горизонтальной плоскостью зеркальной симметрии, и не обладает вертикальными плоскостями зеркальной симметрии. (в) Спектры элементов матрицы рассеяния одиночного оптимального зеркала в базисе круговых поляризаций. (г) Спектр относительного усиления интенсивности электромагнитного поля внутри хирального резонатора при возбуждении право- и лево-поляризованной волной. (д) Относительная плотность хиральности наведенного поля внутри того же резонатора при возбуждении право- и лево-поляризованной волной. (е) Асимметрия относительного усиления излучения ансамбля точечных правых/левых хиральных диполей, расположенных внутри хирального резонатора.

где Гамильтониан поля без изменений наследуется из Ур. (3.4), а гамильтониан взаимодействия принимают следующий вид:

Ны = -гН дп $1 Ъпа - а1 АЪП - Ьпа а1 ],

(5.7)

(а!

гн = л/е

(б)

и (в)|-

^^^ 0.01

0.5

0.010.02 0.05 0.10 0.20 д/ш0

а»сау/о~>о

Рис. 5.4: Хиральные поляритоны. (а) Иллюстрация системы: ансамбль элементарных хиральных квантовых источников, взаимодействующий с хиральной стоячей волной асимметричного резонатора, поддерживающего лишь моды определенной хирально-сти. (б) Поляритонный спектр как функция частоты фотонной моды и параметра хи-ральности вещества £. При варьировании параметра хиральности система переходит из режима поляритонного анти-пересечения (совпадающие хиральности вещества и моды) в режим невзаимодействующих мод (противоположные параметры хиральности). (в) Асимметрия энергия основного состояния хиральной поляритонной системы как функция объемной константы связи.

где Л - собственное число оператора спиральности фотонной моды, £п -параметр хиральности источника, дп - константа связи п-го источника с оптической модой.

На рис. 5.4(б) представлен спектр собственных частот Гамильтониана (5.6) как функция частоты оптической моды и параметра хиральности вещества. При совпадении хиральностей вещества и поля спектр демонстрирует анти-пересечение уровней характерное для поляритонных систем. При противоположных хиральностях спектр демонстрирует полное

пересечение уровней, показывающих отсутствие взаимодействие между оптической модой и электронным переходом вещества с противоположными хиральностями.

Наконец, крайне интересное поведение демонстрирует энергия основного состояния взаимодействующей хиральной системы. Энергия основного состояния системы может быть определена как сумма вакуумных энергий двух поляритонных состояний:

Ныьр Ь^ир Е = —~ (5.8)

Соответственно, можно определить асимметрию вакуумной энергии как разницу между энергиями основного состояния ансамбля правых и левых источников в резонаторе заданной оптической спиральности по отношению к энергии невзаимодействующих компонент:

6Е^ас = - Е^=-1 (5.9)

Рисунок 5.4(в) демонстрирует относительную асимметрию вакуумной энергии при помещении ансамбля правых либо левых хиральных источников в одномодовый хиральный резонатор (Л = 1) как функцию коллективной константы связи. Вакуумная энергия ансамбля источников с совпадающей хиральностью (£Л > 0) оказывается выше, чем вакуумная энергия ансамбля источников с противоположной хиральностью в том же резонаторе. Кроме того, величина асимметрии растет с коллективной константой связи и проявляется себя максимально для источников с идеальной хиральностью, £ = ±1.

5.3 Хиральные супер-кристаллы

Предложено качественно новое семейство хиральных оптических структур - супер-кристаллов. Хиральный супер-кристалл представляет из себя многослойную систему, в которой каждый слой является пленкой из двухосного оптически анизотропного материала.

(а)

LCP

RCP

(б)

10

с

Э -Q О

U

-5

-104 0.0

-mode 1

mode 2

left-handed field

right-handed field

Л | Г

0.2 0.4 C0L/2TTC

Experirrient

0.6 0.7

^LR + ^RR

tRL + tLL

0.1 0.25 0.5 0.75 0.95 COL/2ttc

600 700 800 900 Wavelength, nm

Рис. 5.5: Хиральный супер-кристалл. (а) Наноструктура, состоящая из нескольких идентичных слоев ван-дер-Ваальсовго материала с оптической анизотропией в плоскости, ориентированных определенным образом, обладает геометрической хирально-стью, которая приводит к ненулевому круговому дихроизму (б) Спектр Блоховских мод бесконечного хирального супер-кристалла с правой закруткой. (в) Спектры элементов матрицы рассеяния конечного хирального супер-кристалла, содержащего одну элементарную ячейку. Амплитуды и пропускания для конечной структуры, состоящей из одной элементарной ячейки фотонного кристалла как функция нормированной частоты. (г) Экспериментально измеренный круговой дихроизм от трехслойной структуры на основе Ля2. Пунктирная линия показывает данные, скорректированные путем вычитания линейного фона.

Рисунок 5.5(а) схематически иллюстрирует идею исследуемой платформы. Одиночный оптически толстый слой двуосного ван-дер-Ваальсового материала является оптически анизотропным и демонстрирует сопутствующие явления линейного дихроизма, но, тем не менее, он геометрически нехирален и не обладает круговым дихроизмом (Рис/ 5.5а). Однако, когда несколько идентичных ван-дер-Ваальсовых пле-

нок собраны в спиральную наноструктуру, весь кристалл приобретает геометрическую хиральность, что приводит к наблюдаемому круговому дихроизму, который схематически проиллюстрирован на Рис. 5.5(а).

В спектре Блоховских мод такого кристалла присутствуют две моды с противоположной хиральностью, лишь одна из которых имеет запрещенную зоне, а другая же обладает непрерывным спектром. Рис. 5.5(в) демонстрирует спектры амплитуд пропускания и отражения в базисе круговых поляризаций конечного супер-кристалла с хиральной геометрией, состоящего из N пленок двуосного материала. Конечная структура демонстрирует заметный круговой дихроизм - асимметричные амплитуды пропускания право- и лево-поляризованного света при падении по нормали. Кроме того, структура демонстрирует отражение с сохранением хиральности вследствие нарушения вертикальной оси вращения порядка 3 и выше.

Идеальными кандидатами на роль материала для демонстрации данного явления являются ван-дер-Ваальсовы материалы с низкой симметрией кристаллической решетки, такой как Лз23з. Исследования были проведены на образцах, состоящих из несколько слоев Лз23з толщиной примерно в 160 нм, которые были получены при помощи метода механического отщепления. Чтобы продемонстрировать возникновение оптической хиральности в ван-дер-Ваальсовой наноструктуре состоящей из слоев Лз23з, мы использовали спектроскопическую эллипсомет-рию. Полученные экспериментальные данные подтверждают существенный круговой дихроизм в собранном трехслойном супер-кристалле, Рис. 5.5(д). Экспериментальные результаты хорошо согласуется с теоретически предсказанным круговым дихроизмом для той же плоскопараллельной структуры.

Глава 6

Заключение

В заключение, в данной диссертации был исследован широчайший круг поляритонных наноструктур и обнаружены новые эффекты, обладающие как фундаментальным, так и практическим значением.

Продемонстрировано возникновение поляритонных состояний в наноструктурах, где в качестве оптической моды и резонанса среды выступает один материал. Данное наблюдение значительно расширяет наши знания о распространенности поляритонных структур и предлагает более гибкие и простые рецепты создания таких систем. Было исследовано возникновение поляритонных состояний в двумерных полупроводниках

- новом классе материалов, проявляющих уникальные механические и оптические свойства.

Были впервые исследованы свойства более экзотичных полярито-нов, образованные замещением молекулярных источников мета-атомами

- резонансными металлическими наночастицами, «маскирующимися» под микроскопические источники, и позволяющие создавать гибко настраиваемые поляритонные состояния с гигантской константой связи. Полученные результаты будут иметь важное значение для фундаментальных исследований экзотического режима ультрасильного взаимодействия между источниками и электромагнитным полем.

Исследован принципиально новый подход для создания самоорганизующихся оптических резонаторов. Был предложен уникальный метод само-сборки оптических резонаторов с посредством вакуумных взаимо-

действий (силы Казимира) между зеркалами, помещенными в раствор соли. Данное наблюдение предлагает принципиально новый способ создания самоорганизующихся оптических резонансных структур напрямую в растворе, сохраняющих устойчивость в течение продолжительного времени, без привлечения затратных методов нано-фабрикации. Получен существенный теоретический, экспериментальный и технологический задел для создания нового класса управляемых материалов, в которых равновесная конфигурация контролируется вакуумными взаимодействиями.

Были разработаны диэлектрические зеркала с необычным поляризационным откликом, сохраняющие хиральность отраженного света при падении по нормали для плоской волны правой закрутки, и в то же самое время пропускающего плоскую волну противоположной (левой) закрутки на той же длине волны. Исследование взаимодействия таких резонаторов с веществом позволит лучше понять физику оптического отклика хиральных молекул, откроет дорогу к изучению хиральных по-ляритонов, и может положить начало совершенно новой области оптики - хиральной поляритоники.

Наконец, предложен теоретически и экспериментально продемонстрирован новый подход для создания оптически хиральных фотонных структур, основанный на наложении слоев двуосных ван-дер-Ваальсовых материалов. Класс разрабатываемых хиральных систем может стать платформой для исследования новой физики взаимодействия хиральных молекул с хиральным оптическим излучением, а также для разработки высокочувствительных сенсоров нового поколения для детектирования энантиомеров разнообразных биологических и лекарственных молекул.

Список цитируемой литературы

[1] G. Khitrova и др. "Vacuum Rabi splitting in semiconductors". В: Nature Physics 2.2 (2006), с. 81—90.

[2] Peter Lodahl, Sahand Mahmoodian и Soren Stobbe. "Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures". В: Reviews of Modern Physics 87.2 (2015), с. 347—400.

[3] Matthew Pelton. "Modified spontaneous emission in nanophotonic structures". В: Nature Photonics 9.7 (2015), с. 427—435.

[4] P. Torma и W. L. Barnes. "Strong coupling between surface plasmon polaritons and emitters: A review". В: Reports on Progress in Physics 78.1 (2015), с. 13901.

[5] P. Forn-Diaz и др. "Ultrastrong coupling regimes of light-matter interaction". В: Reviews of Modern Physics 91.2 (2019), с. 025005.

[6] Anton Frisk Kockum и др. "Ultrastrong coupling between light and matter". В: Nature Reviews Physics 1 (2019), с. 19—40.

[7] Cristiano Ciuti, Gerald Bastard и Iacopo Carusotto. "Quantum vacuum properties of the intersubband cavity polariton field". В: Physical Review B 72.11 (2005), с. 115303.

[8] Yiqiao Tang и Adam E. Cohen. "Optical chirality and its interaction with matter". В: Physical Review Letters 104.16 (2010), с. 163901.

[9] Alexander O. Govorov h gp. "Theory of circular dichroism of nanomaterials comprising chiral molecules and nanocrystals: Plasmon enhancement, dipole interactions, and dielectric effects". B: Nano Letters 10.4 (2010), c. 1374—1382.

[12] Ivan Fernandez-Corbaton, Martin Fruhnert h Carsten Rockstuhl. "Objects of maximum electromagnetic chirality". B: Physical Review X 6.3 (2016), c. 031013.

[13] Joshua Feis h gp. "Helicity-Preserving Optical Cavity Modes for Enhanced Sensing of Chiral Molecules". B: Physical Review Letters 124.3 (2020), c. 33201.

[14] D. L. Mills h E. Burstein. "Polaritons: The electromagnetic modes of media". B: Reports on Progress in Physics 37.7 (1974), c. 817—926.

[15] RJ Thompson, Gerhard Rempe h HJ Kimble. "Observation of normalmode splitting for an atom in an optical cavity". B: Physical review letters 68.8 (1992), c. 1132.

[16] D. G. Lidzey h gp. "Strong exciton-photon coupling in an organic semiconductor microcavity". B: Nature 395.6697 (1998), c. 53—55.

[18] Kerry J Vahala. "Optical microcavities". B: nature 424.6950 (2003), c. 839—846.

[19] Philippe Lalanne h gp. "Light Interaction with Photonic and Plasmonic Resonances". B: Laser and Photonics Reviews 12.5 (2018), c. 1700113.

[23] Arseniy I Kuznetsov h gp. "Magnetic light". B: Scientific reports 2.1 (2012), c. 492.

[24] David A. Powell. "Interference between the Modes of an All-Dielectric Meta-atom". B: Physical Review Applied 7.3 (2017), c. 034006.

[25] Andrey E. Miroshnichenko h gp. "Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles". B: Nature Communications 6 (2015), c. 8069.

[26] Rasoul Alaee, Carsten Rockstuhl h Ivan Fernandez-Corbaton. "Exact multipolar decompositions with applications in nanophotonics". B: Advanced Optical Materials 7.1 (2019), c. 1800783.

[28] E. C. Le Ru h P. G. Etchegoin. "Rigorous justification of the |E|4 enhancement factor in Surface Enhanced Raman Spectroscopy". B: Chemical Physics Letters 423.1-3 (2006), c. 63—66.

[33] R Guy Woolley. "Power-Zienau-Woolley representations of nonrelativistic QED for atoms and molecules". B: Physical Review Research 2.1 (2020), c. 013206.

[37] H. B. G. Casimir. "On the attraction between two perfectly conducting plates". B: Proc. Kon. Ned. Akad. Wet. 51 (1948), c. 793.

[38] J. N. Munday, Federico Capasso h V. Adrian Parsegian. "Measured long-range repulsive Casimir-Lifshitz forces". B: Nature 457.7226 (2009), c. 170—173.

[39] Xiang Zhang h gp. "Stable Casimir equilibria and quantum trapping". B: Science 364.6444 (2019), c. 984—987.

[42] Behrooz Semnani h gp. "Spin-preserving chiral photonic crystal mirror". B: Light: Science and Applications 9 (2020), c. 23.

Список публикаций по теме диссертации

[A20] Adriana Canales и др. "Abundance of cavity-free polaritonic states in resonant materials and nanostructures". В: J. Chem. Phys. 154.2 (2021), с. 024701.

[A22] Battulga Munkhbat и др. "Self-Hybridized Exciton-Polaritons in Multilayers of Transition Metal Dichalcogenides for Efficient Light Absorption". В: ACS Photonics 6.1 (2019), с. 139—147.

[A27] Ruggero Verre и др. "Transition metal dichalcogenide nanodisks as high-index dielectric Mie nanoresonators". В: Nat. Nanotechnol. 14.7

(2019), с. 679—683.

[A29] Denis G. Baranov и др. "Novel Nanostructures and Materials for Strong Light-Matter Interactions". В: ACS Photonics 5.1 (2018), с. 24—42.

[A30] Thomas D. Green и др. "Optical material anisotropy in high-index transition metal dichalcogenide Mie nanoresonators". В: Optica 7.6

(2020), с. 680.

[A32] Evgeny Ryabkov и др. "Upper bounds on collective light-matter coupling strength with plasmonic meta-atoms". В: Phys. Rev. B 108.7 (2023), с. 075417.

[A34] Denis G. Baranov и др. "Ultrastrong coupling between nanoparticle plasmons and cavity photons at ambient conditions". В: Nat. Commun. 11 (2020), с. 2715.

[A35] Manuel Hertzog h gp. "Enhancing vibrational light-matter coupling strength beyond the molecular concentration limit using plasmonic arrays". B: Nano Lett. 21 (2020), c. 1320.

[A36] Adriana Canales h gp. "Polaritonic linewidth asymmetry in the strong and ultrastrong coupling regime". B: Nanophotonics 12 (2023), c. 4073.

[A40] Battulga Munkhbat h gp. "Tunable self-assembled Casimir microcavities and polaritons". B: Nature 597.7875 (2021), c. 214— 219.

[A41] Kirill Voronin h gp. "Single-Handedness Chiral Optical Cavities". B: ACS Photonics 9.8 (2022), c. 2652—2659.

[A43] Christian Schafer h Denis G Baranov. "Chiral Polaritonics: Analytical Solutions, Intuition, and Use". B: J. Phys. Chem. Lett. 14.15 (2023), c. 3777—3784.

[A44] Denis G Baranov, Christian Schafer h Maxim V Gorkunov. "Toward Molecular Chiral Polaritons". B: ACS Photonics 10 (2023), c. 2440.

[A45] Denis G. Baranov h gp. "Nonlinear Transient Dynamics of Photoexcited Resonant Silicon Nanostructures". B: ACS Photonics 3.9 (2016), c. 1546—1551.

[A46] Denis G. Baranov h gp. "Tuning of near- and far-field properties of all-dielectric dimer nanoantennas via ultrafast electron-hole plasma photoexcitation". B: Laser Photonics Rev. 10.6 (2016), c. 1009—1015.

[A47] Anton I. Ignatov, Igor A. Nechepurenko h Denis G. Baranov. "Anisotropy-assisted non-scattering coherent absorption of surface plasmon-polaritons". B: Ann. Phys. 528.7-8 (2016), c. 537—542.

[A48] Pavel A. Dmitriev h gp. "Resonant Raman scattering from silicon nanoparticles enhanced by magnetic response". B: Nanoscale 8.18 (2016), c. 9721—9726.

[A49] Denis G. Baranov h gp. "Coherent perfect absorbers: linear control of light with light". B: Nat. Rev. Mater. 2.12 (2017), c. 17064.

[A50] Denis G. Baranov h gp. "Modifying magnetic dipole spontaneous emission with nanophotonic structures". B: Laser Photonics Rev. 11.3 (2017), c. 1600268.

[A51] Denis G. Baranov h gp. "All-dielectric nanophotonics: the quest for better materials and fabrication techniques". B: Optica 4.7 (2017), c. 814.

[A52] Denis G Baranov, Alex Krasnok h Andrea Alii. "Coherent virtual absorption based on complex zero excitation for ideal light capturing". B: Optica 4.12 (2017), c. 1457—1461.

[A53] Roman S. Savelev h gp. "Dynamically reconfigurable metal-semiconductor Yagi-Uda nanoantenna". B: Phys. Rev. B 95.23 (2017), c. 235409.

[A54] Denis G. Baranov h gp. "Anapole-Enhanced Intrinsic Raman Scattering from Silicon Nanodisks". B: ACS Photonics 5.7 (2018), c. 2730—2736.

[A55] Jorge Cuadra h gp. "Observation of Tunable Charged Exciton Polaritons in Hybrid Monolayer WS2-Plasmonic Nanoantenna System". B: Nano Lett. 18.3 (2018), c. 1777—1785.

[A56] Valentin A. Milichko h gp. "Metal-Dielectric Nanocavity for RealTime Tracing Molecular Events with Temperature Feedback". B: Laser Photonics Rev. 12.1 (2018), c. 1700227.

[A57] Michael Stiihrenberg h gp. "Strong Light-Matter Coupling between Plasmons in Individual Gold Bi-pyramids and Excitons in Mono-and Multilayer WSe ₂". B: Nano Lett. 18.9 (2018), c. 5938—5945.

[A58] Benjamin Rousseaux h gp. "Quantum description and emergence of nonlinearities in strongly coupled single-emitter nanoantenna systems". B: Phys. Rev. B 98.4 (2018), c. 50—56.

[A59] Battulga Munkhbat h gp. "Suppression of photo-oxidation of organic chromophores by strong coupling to plasmonic nanoantennas". B: Sci. Adv. 4.7 (2018), eaas9552.

[A60] Ekaterina Y. Tiguntseva h gp. "Tunable Hybrid Fano Resonances in Halide Perovskite Nanoparticles". B: Nano Lett. 18.9 (2018), c. 5522— 5529.

[A61] Mikhail V. Zyuzin h gp. "Photoluminescence quenching of dye molecules near a resonant silicon nanoparticle". B: Sci. Rep. 8 (2018), c. 6107.

[A62] Alex Krasnok h gp. "Coherently Enhanced Wireless Power Transfer". B: Phys. Rev. Lett. 120.14 (2018), c. 143901.

[A63] Alex Krasnok h gp. "All-Optical Switching and Unidirectional Plasmon Launching with Nonlinear Dielectric Nanoantennas". B: Phys. Rev. Appl. 9.1 (2018), c. 14015.

[A64] Denis G. Baranov h gp. "Nanophotonic engineering of far-field thermal emitters". B: Nat. Mater. 18.9 (2019), c. 920—930.

[A65] Alex Krasnok h gp. "Anomalies in light scattering". B: Adv. Opt. Photonics 11.4 (2019), c. 892.

[A66] Martin Wersall h gp. "Correlative Dark-Field and Photoluminescence Spectroscopy of Individual Plasmon-Molecule Hybrid Nanostructures in a Strong Coupling Regime". B: ACS Photonics 6.10 (2019), c. 2570—2576.

[A67] Benjamin Rousseaux h gp. "Strong coupling out of the blue: an interplay of quantum emitter hybridization with plasmonic dark and bright modes". B: Phys. Rev. Res. 2 (2019), c. 033056.

[A68] Andrew B. Yankovich h gp. "Visualizing Spatial Variations of Plasmon-Exciton Polaritons at the Nanoscale Using Electron Microscopy". B: Nano Lett. 19.11 (2019), c. 8171—8181.

[A69] Georgy A. Ermolaev h gp. "Broadband optical properties of monolayer and bulk MoS2". B: npj 2D Mater. Appl. 4 (2020), c. 21.

[A70] Battulga Munkhbat h gp. "Electrical Control of Hybrid Monolayer Tungsten Disulfide-Plasmonic Nanoantenna Light-Matter States at Cryogenic and Room Temperatures". B: ACS Nano 14.1 (2020), c. 1196—1206.

[A71] Battulga Munkhbat h gp. "Transition metal dichalcogenide metamaterials with atomic precision". B: Nat. Commun. 11 (2020), c. 4604.

[A72] Ekaterina Tiguntseva h gp. "Room-Temperature Lasing from Mie-Resonant Nonplasmonic Nanoparticles". B: ACS Nano 14.7 (2020), c. 8149—8156.

[A73] Denis G Baranov h gp. "Circular dichroism mode splitting and bounds to its enhancement with cavity-plasmon-polaritons". B: Nanophotonics 9.2 (2020), c. 283—293.

[A74] Daniel Andren h gp. "Microscopic metavehicles powered and steered by embedded optical metasurfaces". B: Nat. Nanotechnol. 16.9 (2021), c. 970—974.

[A75] G. A. Ermolaev h gp. "Giant optical anisotropy in transition metal dichalcogenides for next-generation photonics". B: Nat. Commun. 12 (2021), c. 854.

[A76] Alexey Proskurin, Andrey Bogdanov h Denis G. Baranov. "Perfect Absorption of a Focused Light Beam by a Single Nanoparticle". B: Laser Photonics Rev. 15.8 (2021), c. 2000430.

[A77] Igor A. Nechepurenko h Denis G. Baranov. "Non-Planck thermal emission from two-level media". B: Opt. Lett. 46.15 (2021), c. 3584.

[A78] Andrew B. Yankovich h gp. "Exploring Mie Resonances, Anapole States, and Anapole-Exciton Polaritons in Nanopatterned TMD Materials Using STEM EELS". B: Microsc. Microanal. 28.S1 (2022), c. 2020—2022.

[A79] Georgy Ermolaev h gp. "Topological phase singularities in atomically thin high-refractive-index materials". B: Nat. Commun. 13 (2022), c. 2049.

[A80] DV Grudinin h gp. "Hexagonal boron nitride nanophotonics: a record-breaking material for the ultraviolet and visible spectral ranges". B: Mater. Horiz. 10 (2023), c. 2427.

[A81] Battulga Munkhbat h gp. "Nanostructured transition metal dichalcogenide multilayers for advanced nanophotonics". B: Laser Photonics Rev. 17 (2023), c. 2200057.

[A82] Kirill V Voronin h gp. "Chiral Photonic Super-Crystals Based on Helical van der Waals Homostructures". B: Laser & Photonics Reviews 18 (2024), c. 2301113.

[A83] Mikhail Krasnov h gp. "Analysis of stability and near-equilibrium dynamics of self-assembled Casimir cavities". B: Physical Review B 109.19 (2024), c. 195411.

[A84] Georgy A Ermolaev h gp. "Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials". B: Nature communications 15.1 (2024), c. 1552.

[A85] Valeria Maslova, Petr Lebedev h Denis G Baranov. "Topological Phase Singularities in Light Reflection from Non-Hermitian Uniaxial Media". B: Advanced Optical Materials 12 (2024), c. 2303263.

[A86] Kirill V Voronin h gp. "Programmable Carbon Nanotube Networks: Controlling Optical Properties Through Orientation and Interaction". B: Advanced Science (2024), c. 2404694.