Новые фотонные устройства на основе электродинамических эффектов направленного и усиленного рассеяния в диэлектрических наноструктурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Шалин Александр Сергеевич

• Шалин Александр Сергеевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Шалин Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Степень разработанности темы исследования

Цели и задачи работы

Научная новизна работы

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Степень достоверности и апробация результатов

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ФОТОННОГО НАНОДЖЕТА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Введение

1.1. Фотонный наноджет как светоулавливающая структура для тонкоплёночных солнечных элементов

1.2. Гибкие асимметричные прозрачные электроды на основе массивов фотонных наноджетов

1.3. Искривлённые фотонные наноджеты: концепция фотонного крюка

1.4. Оптомеханические устройства: фотонные ловушки, транспорт и манипуляция на основе PNJ и PH

Заключение

ГЛАВА 2. ПОПЕРЕЧНЫЙ ЭФФЕКТ КЕРКЕРА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

2.1. Поперечное рассеяние и обобщённый эффект Керкера

2.2. Диэлектрические метаповерхности с нулевым отражением и полным поглощением

2.3. Поперечный эффект Керкера в диэлектрических наноконусах

Заключение

ГЛАВА 3. СУПЕРРАССЕЯНИЕ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОРЕЗОНАТОРАХ: НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ПРИКЛАДНОЙ ПОТЕНЦИАЛ

Введение

3.1. Новый подход к реализации суперрассеяния

3.2. Маскировка при помощи суперрассеяния

3.3. Керкер-суперрассеяние

3.4. Прямое наблюдение фотонного спинового сдвига Холла на основе суперрассеяния

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые фотонные устройства на основе электродинамических эффектов направленного и усиленного рассеяния в диэлектрических наноструктурах»

Актуальность темы исследования

Одна из наиболее перспективных фундаментальных задач современной оптики и электродинамики — это управление формой, направлением, интенсивностью и спектром светового поля в маломасштабных и субволновых режимах. В рамках этой научной парадигмы особую значимость приобретают исследования, направленные на развитие методов локализации и перенаправления электромагнитной энергии без использования традиционных громоздких и ограниченных компонентов, таких как линзы, зеркала и массивные резонаторы. Одним из наиболее перспективных подходов, отвечающих этим требованиям, является использование диэлектрических нанорезонаторов, способных эффективно взаимодействовать со светом за счёт возбуждения электрических, магнитных и тороидальных мультипольных моментов.

Основа актуальности данной работы — это возможность управления рассеянием и фокусировкой света путём точной настройки взаимной интерференции и связи мультипольных моментов и мод в компактных диэлектрических структурах. К примеру, явления фотонного наноджета (PNJ) и его искривлённой модификации — фотонного крюка (Photonic Hook) — представляют собой уникальные ближнеполевые эффекты, возникающие в процессе прохождения излучения через диэлектрические микрочастицы. В отличие от традиционной геометрической или дифракционной оптики, здесь формируется субволновая световая структура, сочетающая локализацию, направленность и устойчивость к возмущениям формы. Это открывает новые границы как в теоретической, так и в прикладной нанофотонике.

Дополнительную актуальность приобретает исследование эффектов направленного рассеяния на основе обобщённого и поперечного эффекта Керкера, где благодаря интерференции электрических и магнитных мультиполей достигается подавление излучения в определённые направления и перераспределение энергии в строго заданные угловые сектора. Эти явления требуют применения мультипольного разложения высоких порядков, а также анализа мод. Отметим, что разработка таких элементов крайне актуальна как для оптики, так и для других диапазонов длин волн, например, для разработки антенн нового поколения, систем беспроводной передачи энергии и маскировки.

Особое внимание в рамках данной работы уделяется явлению суперрассеяния — усиленному электромагнитному отклику, превышающему одноканальный предел,

обусловленному межмодовой и мультипольной интерференцией в несимметричных резонаторах. Это явление имеет фундаментальное значение для пересмотра классических ограничений теории рассеяния Ми и Лоренца-Ми и открывает путь к созданию новых типов сверхкомпактных фотонных устройств с усиленной интенсивностью в заданном направлении. В этом контексте работа предлагает новый класс резонаторов, реализующих явления Керкер-суперрассеяния (направленного суперрассеяния) и фотонной маскировки на базе суперрассеивателя, выходящие за рамки существующих концепций.

С технической точки зрения, подобные подходы особенно актуальны для создания метаповерхностей нового поколения, где возможно одновременно контролировать амплитуду, фазу и направление светового пучка на наноуровне без использования внешней оптики. Это критически важно для разработки оптических интерфейсов, сенсоров, элементов направленного излучения, а также интегральных фотонных схем, где важна высокая плотность интеграции и малые потери в резонансном диапазоне.

Таким образом, представленная тематика находится в эпицентре ключевых направлений современной оптики и нанофотоники. Она объединяет фундаментальные идеи классической электродинамики с задачами создания управляемых, компактных и масштабируемых фотонных структур. Полученные в работе подходы формируют не только новые инструменты для манипуляции светом в малом масштабе, но и позволяют перейти к разработке интегральных оптоэлектронных систем, в которых управление светом осуществляется в пределах одного наноразмерного элемента.

Степень разработанности темы исследования

Диэлектрическая нанофотоника как самостоятельное направление сформировалась на пересечении классической электродинамики рассеяния и задач метаоптики. Основы теории взаимодействия света с микрочастицами были заложены в начале XX века в работах Г. Ми, который предложил аналитическое решение задачи рассеяния света на сферических частицах в рамках разложения по сферическим гармоникам. Впоследствии теория Ми была существенно расширена в контексте взаимодействия света с резонансными частицами и анизотропными материалами. В 1983 году М. Керкер с соавторами теоретически предсказал возможность полного подавления рассеяния в определённом направлении за счёт когерентной интерференции электрических и магнитных дипольных моментов при условии 8 = ц, положив тем самым начало исследованиям направленного рассеяния.

Физическая реализация керкеровских условий стала возможной лишь в 2010-х годах с развитием нанофотоники и доступностью высокоиндексных диэлектриков и полупроводников, способных поддерживать одновременно электрические и магнитные резонансы. В работах Евлюхина и Кузнецова в 2012 году впервые было показано возбуждение магнитных диполей в таких системах, что открыло возможность управлять одновременно как электрической, так и магнитной компонентами света. Работа Geffrin et al. (2012) экспериментально подтвердила эффект Керкера в микроволновом диапазоне, а в 2016 году Кузнецов и соавторы обозначили становление «Диэлектрической Нанофотоники» как новой парадигмы, противопоставляемой плазмонным структурам с их высокими потерями.

Современная диэлектрическая нанофотоника быстро эволюционировала в сторону создания метаповерхностей, включающих двумерные массивы диэлектрических нанорезонаторов, способных произвольно модулировать фронт волны. Основу теоретического описания таких структур заложили Pfeiffer и Grbic (2013), введя понятие метаповерхности Гюйгенса. Метаповерхности стали фундаментом для широкого класса приложений, включая металинзы, метаголограммы, оптические антенны с формируемой диаграммой направленности, сенсоры и нелинейные преобразователи излучения. Обнаружение высокодобротных связанных состояний в континууме (BIC), открыло новые пути к реализации практически безотражательных и сверхчувствительных фотонных структур, см., например, статью Рыбина (2017) и ссылки там.

Особое внимание в последние годы привлекли эффекты, связанные с спин-орбитальным взаимодействием света. В 2008 году Hosten и Kwiat впервые экспериментально наблюдали фотонный спин-Холловский сдвиг (PSHS) при отражении света с круговой поляризацией с помощью техники слабых измерений. Однако сам эффект — поперечное смещение рассеянного пучка, зависящее от направления его круговой поляризации — остаётся слабо выраженным в обычных рассеивателях и требует либо резонансного усиления, либо специальных геометрий. Последующие исследования предложили использовать метаповерхности (Kim, 2022) и диэлектрические наночастицы с дуальной симметрией (Gao, 2018) для усиления PSHS, однако его регистрация в дальней зоне на одиночных частицах до последнего времени оставалась невозможной из-за низкой интенсивности сигнала.

В параллель развивалось направление абсолютных поглотителей света — структур, обеспечивающих полное поглощение электромагнитной энергии на заданной частоте.

Первоначально такие структуры создавались на основе металл-диэлектрических резонаторов, однако позднее нами было показано, что аналогичный эффект можно реализовать и в полностью диэлектрических структурах благодаря реализации поперечного эффекта Керкера. Это позволило впоследствии предложить новые подходы к управлению тепловым излучением, сенсорикой и оптоэлектроникой.

Настоящая диссертационная работа реализует и развивает ряд принципиально новых направлений в рамках диэлектрической нанофотоники. Мы предложили и продемонстрировали повышение эффективности тонкоплёночных солнечных элементов за счёт эффекта фотонного наноджета — сфокусированного светового пучка, формируемого одиночной диэлектрической микросферой и впервые продемонстрировали фотонный крюк — искривлённый аналог наноджета, позволяющий создавать субволновые изогнутые световые пучки и использовать их для оптической манипуляции наночастицами вдоль произвольных траекторий.

Разработанная нами гибкая прозрачная метаструктура с односторонней прозрачностью объединила высокую проводимость и асимметрию прохождения света, предложив решение для нового класса оптоэлектронных интерфейсов. В контексте управления рассеянием наночастицами и метоповерхностями мы исследовали и реализовали поперечный эффект Керкера, ранее предсказанный теоретически, и использовали его для создания невидимой метаповерхности, полностью пропускающей падающее поле без искажений фазы и амплитуды, а также для создания абсолютного поглотителя на заданной частоте.

Далее, мы предложили и подтвердили новый механизм суперрассеяния на основе взаимодействия квазинормальных мод и мультипольной интерференции, что позволило преодолеть одноканальный предел рассеяния — фундаментальное ограничение классической теории Ми. Этот эффект стал основой для реализации суперрассеяния Керкера— направленного сверхрассеяния, где как электрические, так и магнитные каналы превышают свои индивидуальные пределы. Мы также предложили применение суперрассеяния для маскировки объектов, создавая область пространственной «тени» за счёт перенаправления потока энергии, и впервые реализовали прямое наблюдение фотонного спин-Холловского сдвига от одиночной диэлектрической частицы в дальней зоне.

Таким образом, исследуемая в работе тематика опирается на глубоко разработанную фундаментальную базу, активно исследуемую в последние два десятилетия, но предлагает

качественно новые механизмы управления светом, ранее не реализованные. Это позволяет утверждать, что диссертация находится на передовом рубеже как в теоретическом, так и в прикладном аспекте современной фотоники.

Цели и задачи работы

Основной целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование новых оптических эффектов в рассеянии света диэлектрическими и полупроводниковыми нанообьектами и разработка на их основе новых фотонных метаструктур и устройств с функциональностью, превосходящей существующие.

Задачами работы являются

• Исследование и применение эффектов фотонного наноджета (PNJ) и фотонного крюка (PH) для усиления светопоглощения в тонкоплёночных солнечных элементах, создания гибких метаматериальных прозрачных электродов и реализации оптомеханических манипуляторов.

• Теоретическое и экспериментальное исследование поперечного эффекта Керкера в диэлектрических нанорезонаторах на основе мультипольной интерференции, включая условия взаимодействия дипольных и квадрупольных моментов и их реализацию в кубоидах и наноконусах.

• Теоретическое и экспериментальное исследование диэлектрических метаповерхностей с прозрачностью без фазового сдвига и полным поглощением, основанных на поперечном эффекте Керкера, с акцентом на условия нулевого отражения и усиления ближнего поля.

• Теоретическая и экспериментальная реализация и исследование идеального селективного поглотителя на основе метаповерхности, реализующей поперечный эффект Керкера из слабопоглощающих частиц.

• Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов суперрассеяния в диэлектрических наночастицах с нарушенной симметрией, включая описание супермультипольных резонансов и выход за пределы одноканального ограничения сечения рассеяния.

• Теоретическое и экспериментальное исследование Керкер-суперрассеяния, реализуемого за счёт интерференции электрических и магнитных супердиполей, с разработкой

конструкции диэлектрического резонатора и оптимизацией параметров метапокрытия для направленного суперрассеяния.

• Теоретическое и экспериментальное исследование фотонного спин-Холловского эффекта (PSHS) в дальней зоне на основе суперрассеивающих наноструктур, обеспечивающих прямое наблюдение спин-зависимого сдвига в рассеянном поле.

Научная новизна работы

• Впервые показано, что фотонный наноджет, формируемый диэлектрическими микросферами, может существенно усиливать светопоглощение в тонкоплёночных солнечных элементах без увеличения их толщины, при этом обеспечивая субволновую локализацию поля внутри слоя полупроводника.

• Впервые продемонстрирована реализация гибкого прозрачного проводящего метаматериала с выраженной оптической асимметрией пропускания на основе эффекта фотонного наноджета за счет использования массивов диэлектрических микросфер на перфорированной металлической плёнке.

• Впервые показано, что искривлённая геометрия диэлектрических микроструктур позволяет формировать фотонный крюк — субволновой изогнутый световой пучок, пригодный для направленного оптического транспорта частиц по криволинейной траектории.

• Впервые показано, что согласованная интерференция дипольных и квадрупольных моментов в дальнем поле диэлектрических наночастиц позволяет реализовать эффект поперечного рассеяния (поперечный эффект Керкера) с погашением рассеяния вперед и назад, ранее считавшийся невозможным в рамках классической теории рассеяния.

• Впервые продемонстрировано состояние полной прозрачности диэлектрической метаповерхности без фазового сдвига прошедшей волны, основанное на поперечном эффекте Керкера.

• Впервые показано, что при размещении такой метаповерхности на металлической подложке возможно полное поглощение падающего света на заданной частоте за счёт возбуждения резонансной мультипольной моды, несмотря на слабое поглощение самого материала частиц.

• Впервые продемонстрировано существование режима суперрассеяния, обусловленного гибридизацией квазинормальных мод в несферических диэлектрических

резонаторах, позволяющего превысить одноканальный предел рассеяния для отдельного мультиполя с образованием супер-мультиполей.

• Впервые показано, что супермультипольные резонаторы могут создавать область "тени", существенно превышающей их геометрические размеры, в дальней зоне, позволяя эффективно маскировать другие, даже более крупные, рассеиватели без уменьшения собственного рассеяния.

• Впервые продемонстрировано прямое наблюдение фотонного спин-Холловского сдвига в дальней зоне на одиночной диэлектрической частице, без применения слабых измерений и различных двумерных структур, благодаря использованию эффекта суперрассеяния, позволившего повысить интенсивность рассеяния в угол максимального сдвига на два порядка, тем самым сделав его наблюдаемым в прямых измерениях.

• Впервые продемонстрировано Керкер-суперрассеяние — направленное и усиленное рассеяние света, при котором электрические и магнитные супердиполи превышают одноканальные пределы, а их интерференция приводит к высокоинтенсивному излучению с подавлением обратного рассеяния.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:

• Экспериментально продемонстрирована возможность значительного увеличения поглощения света в тонкоплёночных солнечных элементах за счёт использования массивов диэлектрических метаатомов (микросфер и отверстий) (радиус ~750 нм), формирующих фотонные наноджеты. При толщине активного слоя ~300 нм достигнуто увеличение спектрально интегрированного поглощения около 10%.

• Разработана технология создания гибких прозрачных электродов, включающих перфорированные алюминиевые плёнки толщиной ~100 нм и диэлектрические микросферы. Экспериментально достигнута оптическая прозрачность до 90% в диапазоне 450-700 нм при удельном сопротивлении ~2.8 Ом/кв и степени оптической асимметрии пропускания до 5:1 между прямым и обратным направлениями.

Подытоживая, полученные данные доказывают, что массивы фотонных наноджетов обеспечивают эффективное управление направлением и локализацией света в микронном и субмикронном масштабе. Такие структуры могут быть реализованы методами самоорганизации и спин-коатинга, что делает их масштабируемыми, совместимыми с roll-to-

roll производством, и пригодными для интеграции в тонкоплёночные солнечные панели, гибкие экраны и энергоэффективные окна и оптические пинцеты.

• Впервые продемонстрирована реализация фотонного крюка с радиусом кривизны менее 0.7 X в структурах размером всего 2-3 X, сформированного при помощи диэлектрических асимметричных кубоидов с призмой. Численные расчёты показывают усиление поля до 5 раз относительно падающего и стабильность формы пучка при изменении длины волны и угла падения.

• Проведены численные и экспериментальные исследования оптомеханических эффектов захвата на основе фотонного наноджета и фотонного крюка. Установлено, что наночастицы с диаметром от 100 до 500 нм и показателем преломления ~1.5 могут быть стабильно удерживаемы и перемещаемы на расстояния до 2 X по криволинейной траектории и огибать препятствия.

Подытоживая, фотонные крюки и наноджеты позволяют реализовать настраиваемые ближнепольные оптические ловушки, пригодные для управления отдельными частицами без громоздкой оптики. Эти подходы актуальны для задач селективного транспортирования, сортировки и адресной доставки наночастиц в микрофлюидных устройствах и биоанализе.

• Впервые реализован поперечный эффект Керкера в диэлектрических кубах, где согласованная интерференция электрических и магнитных дипольных и квадрупольных моментов обеспечивает подавление прямого и обратного рассеяния на >90% и создание максимумов в поперечных направлениях.

• Разработаны «невидимые» метаповерхности из метаатомов, находящихся в режиме поперечного Керкера, демонстрирующие коэффициенты отражения <1% при полном сохранении амплитуды и фазы прошедшей волны. При размещении аналогичной метаповерхности на зеркальной подложке достигнуто поглощение >98% при мнимой части диэлектрической проницаемости самих частиц 8м < 0.01.

Подытоживая, продемонстрированы функциональные возможности

высокоэффективных диэлектрических метаповерхностей в режиме поперечного Керкера, которые можно использовать в создании невидимых оптических покрытий, термоизлучателей, сенсоров и фотонных интерфейсов нового поколения, а также для маскировки и селективного поглощения излучения.

• Впервые показан режим суперрассеяния, реализуемый в кремниевых наноцилиндрах (п ~ 3.8, радиус ~130 нм, высота ~180 нм), где за счёт гибридизации квазинормальных мод достигнуто превышение одноканального предела рассеяния в электрическом дипольном канале. Результирующее рассеяние превысило одноканальный предел в более чем 4 раза.

• Теоретически предсказан и численно подтверждён эффект маскировки от электромагнитного излучения за счёт создания "силовой тени" позади супермультипольного диэлектрического резонатора. Показано, что в результате того, что электромагнитное сечение рассеяния объекта намного больше геометрического, поток энергии может огибать суперрассеивающую частицу, формируя зону с минимальным радиационным давлением, в которой возможна маскировка дополнительных объектов.

• Экспериментально реализовано Керкер-суперрассеяние, при котором благодаря металлической метаповерхностности достигнута интенсивность излучения в основное направление, превышающее одноканальный предел в ~4 раза и сопровождающееся подавлением обратного рассеяния.

• Впервые экспериментально зафиксирован фотонный спин-Холловский сдвиг (PSHS) в дальней зоне рассеяния от одиночной диэлектрической частицы (эллипсоид с полуосями 5 и 26 мм, 8 ~ 15.2), достигнуто увеличение сигнала на 2 порядка по сравнению с дуальными наночастицами, интенсивность рассеяния которых в угол, соответствующий максимальному спин-Холловскому сдвигу, ранее считалась рекордной, но все еще недостаточной для прямого наблюдения. Сдвиг наблюдался при угле ~125°, что также обеспечивало возможность его регистрации в обычных условиях.

Подытоживая, установлены новые физические механизмы управления рассеянием света в диэлектрических структурах, которые обеспечивают одновременное усиление рассеяния, направленность и спин-зависимую селекцию излучения. Это открывает путь к разработке сверхчувствительных сенсоров, фотонных антенн, элементов квантовой и спиновой фотоники, а также средств пассивной маскировки, фотонных барьеров и управления в радиочастотном и оптическом диапазонах.

Методология и методы исследования

Исследование проводилось с использованием сочетания численного и аналитического моделирования, экспериментальных измерений в микроволновом диапазоне, ближнепольной диагностики и спектроскопических методов. Основное внимание уделялось анализу рассеяния в диэлектрических структурах, реализующих фотонный наноджет, поперечный эффект Керкера, Керкер-суперрассеяние и фотонный спин-Холловский сдвиг, а также разработке и исследованию гибкого прозрачного электрода, основанного на диэлектрических микросферах.

Численное моделирование проводилось преимущественно в программных средах COMSOL Multiphysics и CST Studio Suite, где использовались методы конечных элементов (FEM) и конечных интегралов (FIT) для расчёта электромагнитного поля в диэлектрических резонаторах и метаповерхностях. Расчёты мультипольного состава рассеяния выполнялись с помощью полной мультипольной декомпозиции вплоть до электрических октуполей, включая вклад тороидальных мультиполей. Также применялась модифицированная теория квазинормальных мод (QNM) и теория связанных мод (TCMT).

Экспериментальные образцы для верификации эффектов в микроволновом диапазоне длин волн были изготовлены с использованием 3D-печати и лазерной резки из диэлектрических материалов с высокой эффективной диэлектрической проницаемостью (s ~ 15-16). Размеры резонаторов находились в диапазоне 5-40 мм, что, для исследованных эффектов соответствует диапазону частот -2-20 ГГц.

Измерения характеристик рассеяния производились в безэховой камере в дальней зоне с использованием системы микроволнового сканирования, включающей ротационную платформу с шагом 1°, генератор сигналов и детектор направленного излучения. Регистрировалось полное сечение рассеяния, угловое распределение интенсивности. Ближнеполевые измерения проводились при помощи диполя - пробы на программируемой подвижке. Фотонный спин-Холловский сдвиг (PSHS) регистрировался с использованием двух ортогонально ориентированных антенн и анализа расщепления интенсивности для правой и левой круговых поляризаций. При реализации суперрассеяния с участием супермультипольных мод наблюдалось увеличение интенсивности рассеяния на угле PSHS более чем на два порядка по сравнению с классическими дуальными системами, при углах максимального сдвига в области ~125°.

Фабрикация гибкого прозрачного электрода осуществлялась методом вакуумного термического испарения алюминия (толщина 180 нм) на гибкой полимерной подложке (РММА). На алюминиевый слой наносился тонкий слой положительного фоторезиста AZ1505, затем формировался массив диэлектрических микросфер из SiO2 радиусом 750 нм методом самоорганизации. Эти сферы служили маской при облучении и мокром травлении, формируя перфорированную структуру. После этого наносился второй слой микросфер, размещающийся в отверстиях металла, тем самым формируя двухслойную структуру, генерирующую фотонные наноджеты.

Оптические измерения структуры проводились на различных лазерных источниках, соответствующих экспериментальным точкам на рис. 1.3. Измерялись коэффициенты пропускания при помощи стандартных методик. Достигалась оптическая прозрачность до 90% при коэффициенте асимметрии прозрачности до 5:1. Удельное сопротивление электрода измерялось четырехточечным методом и составляло ~2.8 Ом/кв, что сопоставимо с непрерывными металлическими плёнками.

Испытания на гибкость проводились с радиусом изгиба вплоть до 6 мм, при этом структура выдерживала более 1000 циклов деформации без значимой деградации проводимости (менее 0.6%). Это демонстрирует высокий потенциал использования структуры в гибкой электронике, фотонике и сенсорных платформах.

Микроструктурный контроль качества и топологии поверхности проводился с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Подтверждена высокая степень упорядоченности массивов микросфер и равномерность формирования отверстий в алюминиевом слое.

Все экспериментальные данные сопровождались численным моделированием, что обеспечивало высокую степень соответствия между моделью и наблюдаемыми результатами.

Положения, выносимые на защиту

1. Массив диэлектрических метаатомов на поверхности тонкоплёночного солнечного элемента, формирующих фотонные наноджеты, повышает интегральное поглощение света (в диапазоне длин волн 400-800 нм) в слое полупроводника р-ьп структуры толщиной 300 нм примерно на 10% по сравнению с непокрытым солнечным элементом и на 5% по сравнению с однослойным просветляющим покрытием.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Шалин Александр Сергеевич, 2025 год

■ ■ -

| - -ED ---MD

EQ

---MQ

Сумма ш Рядом с ИП __ Вакуум

элементы нелинейной оптики. В частности, в сравнении с плазмонными структурами, новые диэлектрические метаповерхности обладают значительно меньшими потерями вне резонанса и позволяют достичь аналогичного или более высокого уровня поглощения за счёт резонансного усиления поля. В отличие от поверхностей Гюйгенса, здесь достигается не просто прозрачность, а полное сохранение фазовой фронтальности и возможность резонансного усиления внутри частицы без паразитного рассеяния. Такое сочетание свойств ранее не было реализовано.

Рис. 2.5. (a) Смоделированный и экспериментально измеренный полный коэффициент отражения (rtot) полностью диэлектрической метаповерхности, состоящей из кубических частиц и расположенной на расстоянии 3 мм над идеально проводящей (ИП) подложкой. (б) Мультипольное разложение коэффициента отражения метаповерхности (rm), которое описывает прямой вклад решётки в общее отражение.

2.3. Поперечный эффект Керкера в диэлектрических наноконусах

В нашем исследовании [Kuznetsov et al., Scientific Reports, 2022] была впервые представлена всесторонняя реализация различных типов эффекта Керкера — включая поперечный эффект Керкера — на единой геометрии диэлектрического усечённого наноконуса. Это стало возможным благодаря нарушению зеркальной симметрии вдоль вертикальной оси, присущей конической форме. В отличие от цилиндрических или сферических частиц, где мультипольные моды различной чётности не могут интерферировать

в рамках одной квазинормальной моды (QNM), усечённый конус допускает такие перекрёстные взаимодействия. Именно это свойство обеспечивает формирование поперечного эффекта Керкера — режима, при котором наблюдается сильное рассеяние в боковые направления с подавлением прямого и обратного.

Установлено, что в усечённых конусах возможно выполнение условий:

а также для более сложной суперпозиции:

При фазовых соотношениях

(2.7а)

(2.7Ь)

ЕЭ + М(}: А(р(р, (?т) = агу (р) - аг£ (С>т) = л ± 2лп, п&2

\ГО + ЕС}: А<р(т, 0е) = аг% (т) - аг& (0е) = л ± 2л-и, и е 1

\ А<р(р, 0т) = агё (р) - агё (СГ) = л ± 2 ли, и е г ЕЭ + МБ + ЕО + МО: { Х ' \ '

у А<р(т, 0е) = агё (т) - (С}е) = л ± 2ли, и е г

(2.8)

что соответствует конфигурации поперечного Керкера, в которой мультиполи взаимодействуют так, что создаётся излучение, преимущественно направленное в боковые стороны (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Поперечные эффекты Керкера для усечённых конусообразных наночастиц с различной формой из кремния. (а-в) — мультипольное разложение, (г-е) — суммарное дальнее поле мультиполей для точечной частицы, рассчитанное аналитически, (ж-и) — распределение дальнего поля для конусообразных наночастиц с различной геометрией, рассчитанное численно для реальных частиц на спектральных точках, показанных в (а-в). Условия освещения — падающая плоская волна сверху

Эта возможность реализована благодаря тому, что коническая геометрия нарушает вертикальную зеркальную симметрию, позволяя модам с различной чётностью смешиваться и интерферировать. Таким образом, отдельная квазинормальная мода может создавать направленное излучение без необходимости в наложении нескольких независимых мод, как это необходимо для цилиндров.

Численные расчёты показали высокую степень подавления рассеяния вперёд и назад и ярко выраженное боковое излучение на длинах волн, соответствующих выполнению условий фазовой и амплитудной когерентности.

Важно отметить, что такая реализация поперечного эффекта Керкера — в пределах одной резонансной моды и на простой геометрии — представляет собой существенное упрощение по сравнению с ранее предложенными подходами, требовавшими или многослойных структур, или специального возбуждения. Благодаря этому, усечённые наноконусы становятся удобной и технологически реализуемой платформой для разработки направленно-рассеивающих метаповерхностей, сенсоров, наноантенн и интегральных фотонных компонентов с контролируемыми характеристиками излучения. В частности, такие наноконусы могут быть использованы в задачах формирования диаграмм направленности в компактных антеннах оптического диапазона, в элементах оптической навигации и сканирования, в чиповых биосенсорах, где требуется усиление сигнала в строго заданном направлении, а также в качестве источников направленного спонтанного излучения в интегральных фотонных схемах. Их преимущество в однородности материала и высокой повторяемости характеристик, а также в потенциале масштабирования на массовое производство.

Заключение

Рассмотренные в данной главе режимы поперечного рассеяния и обобщённого эффекта Керкера в диэлектрических наноструктурах представляют собой важное развитие мультипольной оптики и открывают путь к более гибкому управлению направлением рассеянного света. Впервые показана возможность реализации эффекта Керкера не только в прямом и обратном, но и в поперечном направлении, за счёт когерентной интерференции электрических и магнитных дипольных и квадрупольных моментов. Существенным является то, что такие эффекты достигаются на основе неметаллических материалов с малыми потерями, без необходимости сложных нанофотонных архитектур.

Научная новизна заключается в расширении понятий классических эффектов Керкера и в практическом воплощении их поперечной реализации. Особенно значимой является демонстрация защищённой прозрачности без фазового сдвига, а также полного поглощения в слабо поглощающих структурах при размещении на металлической подложке, что ранее не

было достигнуто в рамках одного элемента. Ещё одним прорывом является реализация всех направленных режимов рассеяния на простой геометрии усечённого конуса — без необходимости сложных структур или фазового возбуждения.

Практическое значение полученных результатов выражается в возможности создавать функциональные оптические элементы нового поколения: направленные излучатели, сенсоры, оптические антенны и метаповерхности. Метаповерхности с прозрачностью без фазового сдвига позволяют реализовать бесшумные интерфейсы в интегральной фотонике. Структуры с резонансным поглощением в тонком диэлектрике применимы в оптическом камуфляже, термоэмиссионных источниках и миниатюрных детекторах. Наконец, наноконусы с поперечным рассеянием подходят для формирования направленного излучения и разработки элементной базы фотонных микросхем, включая световые модуляторы и биосенсоры. Совокупность этих достижений закладывает основу для создания энергоэффективных, компактных и высокофункциональных фотонных устройств.

ГЛАВА 3. СУПЕРРАССЕЯНИЕ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОРЕЗОНАТОРАХ:

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ПРИКЛАДНОЙ ПОТЕНЦИАЛ

Введение

Современное развитие нанофотоники требует кардинального переосмысления способов управления светом в субволновых масштабах. Одним из наиболее перспективных подходов является концепция суперрассеяния — резонансного усиления рассеянной мощности от наноструктур за пределами так называемого одноканального предела, накладываемого классической теорией мультипольного рассеяния.

Традиционно усиление рассеяния ассоциировалось с перекрытием нескольких мультипольных резонансов, возбуждаемых в симметричных геометриях [Ruan, et al.. Phys. Rev. Lett., 2010; Qian, C. et al, Phys Rev Lett., 2019]. Однако, как показано в наших недавних исследованиях [Kuznetsov, et al., Sci. Rep., 2022; Canos Valero et al., Nat. Commun., 2023], существуют более фундаментальные механизмы, позволяющие выйти за пределы классических ограничений. В частности, сильное межмодовое взаимодействие, реализуемое в

резонаторах с нарушенной симметриеи, приводит к возникновению супермультипольных состояний, способных резко увеличивать эффективность взаимодействия света с веществом.

Принципиально новая физика суперрассеяния, описываемая через неэрмитовы квазинормальные моды, открывает возможность резонансного усиления одного мультипольного канала без необходимости в спектральном наложении нескольких каналов. Это особенно важно для миниатюризации фотонных устройств, где жёсткие ограничения на габариты не позволяют эффективно использовать традиционные подходы.

Среди ключевых достижений последних лет следует также отметить реализацию Керкер-суперрассеяния — усиленного направленного рассеяния за счёт когерентной интерференции суперэлектрического и супермaгнитного диполей [Li, Phys. Rev. Applied, 2025]. Данная концепция развивает идеи классического Керкер-эффекта [Kerker, J. Opt. Soc. Am., 1983] и позволяет достичь не только подавления обратного рассеяния, но и значительного увеличения общего сечения рассеяния при сохранении компактности структуры.

Отдельного внимания заслуживает экспериментальное наблюдение фотонного спин-Холловского эффекта (PSHS) в дальней зоне [Gao et al., Las. and Phot. Rev., 2015; Gao et al., Las. and Phot. Rev., 2018], реализованное на базе суперрассеивающих наночастиц. Впервые стало возможным напрямую регистрировать поперечный сдвиг интенсивности в зависимости от спинового состояния падающего света — эффект, ранее наблюдаемый лишь косвенно или в условиях слабых измерений [Ling et al., Rep. Prog. Phys., 2017; Bliokh et al., Nat. Photon., 2015].

На фоне фундаментальной значимости данных эффектов, особое внимание заслуживает их прикладная ценность. В частности:

• Точное и направленное управление рассеянием света важно для создания Гюйгенсовских метаповерхностей и сверхкомпактных оптических антенн [Staude et al., Nat. Photon., 2017; Decker et al., Adv. Opt. Mater., 2015].

• Режимы Керкер-суперрассеяния открывают новые возможности в оптической сенсорике, беспроводной связи, информационной фотонике и светоизлучающих наноструктурах [Koshelev et al, Science, 2020].

• Усиленный PSHS открывает перспективы

для нанометрологии, спиновой оптомеханики и оптических гироскопов нового поколения [Shitrit, Nano Lett., 2013].

Таким образом, описываемые в данной главе явления суперрассеяния формируют новый класс функциональных нанофотонных компонентов, обладающих управляемыми характеристиками и высоким уровнем интеграции. Кроме того, они расширяют понимание фундаментальных ограничений взаимодействия света с веществом, предлагая новые пути преодоления компромиссов между направленностью, интенсивностью и спектральной селективностью рассеяния.

В последующих разделах главы рассматриваются механизмы возникновения суперрассеяния, особенности реализации в диэлектрических и гибридных структурах, а также экспериментальные подтверждения и потенциальные области применения в инженерной оптике и фотонике.

3.1. Новый подход к реализации суперрассеяния.

Современное развитие нанофотоники стимулирует поиск новых физических механизмов управления рассеянием света на субволновых структурах. В данной главе предложен и исследован новый эффект суперрассеяния, реализуемый в изолированных диэлектрических резонаторах с нарушенной сферической симметрией. Данный эффект качественно отличается от классического сверхрассеяния, основанного на спектральном наложении мультипольных мод, и обусловлен ближнепольной интерференцией внутри одной моды, либо гибридизацией мод с различной мультипольной природой.

В классической трактовке, суперрассеяние возникает при наложении нескольких мультипольных резонансов (например, дипольного и квадрупольного), каждый из которых независимо ограничен так называемым одноканальным пределом рассеяния. Совокупный вклад таких мод позволяет превысить этот предел для полного сечения рассеяния. Однако в случае сферических или высокосимметричных частиц мультипольные каналы ортогональны, и энергия между ними не перераспределяется.

а

б

Связь

>

2.5

^ ^--1-1-- --

600 700 800 900 1000 1100 1200 Л НМ

Рис. 3.1. (а) — Концепция сверхрассеяния, основанного на связи мод, в изолированном резонаторе. Сильная связь двух мод изменяет как ближнее поле, так и диаграммы рассеяния в зависимости от настраиваемого параметра. Интерферирующие резонансы приводят к формированию состояния типа квазисвязанного состояния в континууме (quasi-BIC) через деструктивную интерференцию и вызывают перераспределение энергии между мультипольными каналами рассеяния, что приводит к излучению супердиполя при конструктивной интерференции. (б) — Резонанс супердиполя, проявляющийся в сечении рассеяния диэлектрического цилиндра с показателем преломления % ~ 3.8, радиусом 130 нм и высотой 180 нм. Сечение рассеяния электрического дипольного канала существенно превышает одноканальный предел. Это отличается от традиционного сверхрассеяния, при котором требуется перекрытие нескольких мультипольных резонансов, каждый из которых не превышает предел рассеяния на канал.

В наших исследованиях демонстрируется, что даже слабое нарушение сферической симметрии — например, при переходе от сферы к сфероиду — приводит к возникновению внедиагональных элементов в матрице рассеяния, которые позволяют энергии перетекать между мультипольными каналами. Это приводит к формированию гибридных состояний (рис. 3.1), в которых вклад в рассеяние одного из каналов (например, электрического диполя) может превышать теоретический предел, установленный для данной моды. Такой усиленный мультиполь получил название "супер-мультиполь", а соответствующий режим — "супер-мультипольный резонанс".

Формально, описанная гибридизация мод соответствует двухуровневой модели, где при изменении параметров (например, соотношения осей эллипсоида) происходит избегающее перекрёстное поведение резонансных частот. Такой режим детально описывается с помощью неэрмитовской теории возмущений квазинормальных мод ^КМ) и теории временно-связанного модового взаимодействия (ТСМТ). Анализ показывает, что

конструктивная интерференция мод приводит к сверхрассеянию на основе мультиполей, превышающих предел рассеяния на канал:

(3.1)

где I - номер канала, а - максимальное сечение рассеяния на канал.

Экспериментальная реализация предложенного эффекта была осуществлена в микроволновом диапазоне. В экспериментах использовался диэлектрический резонатор из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью, обеспечивающий необходимые граничные условия для возбуждения супермультиполей (рис. 3.2). Было достигнуто увеличение полного сечения рассеяния в более, чем 3 раза по сравнению с аналогичным симметричным резонатором, что подтвердило теоретические предсказания.

Рис. 3.2. Экспериментальное подтверждение резонансов электрического супер-диполя. Показаны смоделированные и измеренные полные сечения экстинкции, а также распределения электрического поля в ближней зоне. Все сечения нормированы на одноканальный предел для электрического диполя: Отах = 3Х2 / 2п. Нижние панели демонстрируют пример экспериментального резонатора и модули электрического

поля в плоскости х^ для резонансов, обозначенных вертикальными линиями на верхних графиках. Белые области в ближнем поле соответствуют зонам, физически недоступным для измерений. Отношения сторон дисков: а) ДИ/г = 0.25, б) ДИ/г = 0.475, в) ДИ/г = 1.25.

Особенностью данной реализации является то, что существенная часть излучения формируется без увеличения объёма структуры, а только за счёт инженерии распределения токов. Это делает подход масштабируемым и применимым как в микроволновом, так и в оптическом диапазоне.

Представленный механизм открывает новые пути для

проектирования сверхкомпактных и энергоэффективных фотонных устройств, включая:

• направленные антенны на диэлектрических метаатомах;

• узкополосные сенсоры для анализа состава веществ;

• источники и преобразователи света с инженерией фазовых фронтов;

• управляемые метаповерхности с резонансной перенастраиваемостью.

Таким образом, эффект суперрассеяния, основанный на ближнепольной интерференции мультиполей и конструктивной интерференции квазинормальных мод в несферических резонаторах, представляет собой качественно новый физический механизм, обеспечивающий локальное усиление рассеяния в конкретном мультипольном канале с преодолением предела рассеяния на канал, ранее считавшееся невозможным. Это расширяет фундаментальные пределы классической теории рассеяния и предоставляет эффективные инструменты для проектирования перспективных нанофотонных компонентов нового поколения.

3.2. Маскировка при помощи суперрассеяния

Одним из малоизученных, но чрезвычайно перспективных направлений применения суперрассеяния является управление оптическими силами, возникающими при взаимодействии света с микрочастицами. В частности, интенсивное направленное рассеяние может не только усиливать электромагнитную ответную реакцию объекта, но и существенно менять распределение оптических сил, включая величину и направление светового давления. Это открывает фундаментально новый путь к созданию маскирующих рассеивателей, чья

форма и модовая структура направлены на снижение или полное подавление результирующего оптического воздействия со стороны падающего поля.

(а)

/ / !4

Л и

II п г

и у и у 4 ч Тень ✓ у V V у

Вектор Пойнтинга

(б)

та*

I

I

\Е\

тт.

•1500 -1000 -500 0

X (нм)

500 1000 1500

Рис. 3.3. Защита других рассеивателей от излучения. — Концептуальная схема. Сверхрассеиватель взаимодействует с фотонами на гораздо большей площади, чем его собственный размер. В результате линии поля вектора Пойнтинга (фиолетовые стрелки) отклоняются, и сверхрассеиватель создаёт большую «тень», значительно превышающую его диаметр. Рассеиватели, размещённые в пределах этой тени (серые фигуры), оказываются «защищёнными» от светового давления (красные стрелки), вызванного падающим пучком. (б) — Норма электрического поля в окрестности сверхрассеивателя (те же параметры, что и на рис. 3.1), а также рассчитанное радиационное давление, испытываемое дипольными частицами (чёрные стрелки). Сила рассеяния (и, следовательно, видимость) значительно снижается внутри тени. (в) — Отношение силы рассеяния с присутствием сверхрассеивателя и без него, испытываемое дипольными частицами, расположенными на расстоянии z = -1200 нм от сверхрассеивателя. Начало координат находится в центре сверхрассеивателя. Вставка: художественное изображение сверхрассеивателя, масштабированное в соответствии с размерной сеткой по оси x.

Показано, что при переходе к режиму супермультипольного резонанса, обусловленному гибридизацией квазинормальных мод и нарушением сферической симметрии, можно добиться уникального эффекта: воздействие светового давления на рассеиватели с задней стороны супермультипольной частицы практически исчезает, несмотря на наличие интенсивного рассеяния.

Это не является традиционной невидимостью в смысле подавления рассеяния (cloaking), а представляет собой модуляцию распределения радиационного импульса, направленного вдоль волны, без уменьшения общей энергии рассеянного излучения.

Особенно интересным оказывается тот факт, что на фоне активного рассеяния формируется зона "силовой тени", в которой практически отсутствует оптическое давление. Расчёты распределения электромагнитных сил в дальней зоне показывают, что в задней полусфере оно может стремиться к нулю. Это можно использовать в высокоточных манипуляциях частицами в оптических ловушках и в конструкциях, где важно избегать смещения объектов под действием падающего света (например, при лазерной обработке или в фотонных механических системах).

Кроме того, предложенный механизм обладает прямыми приложениями в задачах пассивной маскировки и инженерии рассеянного поля. В отличие от традиционных метаматериалов для маскировки, в которых подавляется само рассеяние, здесь распределение излучения перестраивается таким образом, чтобы в выбранном угловом секторе объект не испытывал электромагнитного воздействия. Это особенно актуально в системах радиолокации, оптического мониторинга и медицинской диагностики, где может потребоваться скрытие объекта от определённого направления без полного его исчезновения из поля зрения.

Следует отметить, что эффект сохраняется даже при умеренных потерях в материале и может быть реализован в широком диапазоне частот - от оптического до радиочастотного, при соответствующем масштабировании размеров суперрассеивателя. Возможность формирования направленного поля без внешнего активного управления, исключительно за счёт модовой структуры и симметрии, делает данный подход особенно перспективным для создания адаптивных систем маскировки, "обтекаемых" антенн, и элементов направленного излучения с минимальным радиационным следом в заданных направлениях.

Таким образом, исследование оптических сил в режимах суперрассеяния показало, что наряду с усилением радиационных эффектов возможно их селективное подавление в заданных зонах пространства. Это открывает новый путь к оптической маскировке, управлению световым импульсом и инженерии сил в нанофотонных и макроскопических рассеивателях и т.д.

3.3. Керкер-суперрассеяние

Одним из ключевых направлений современной нанофотоники является достижение управляемого направленного рассеяния, особенно для субволновых структур. Классический эффект Керкера предполагает частичное или полное подавление рассеяния в определённом направлении — например, подавление обратного рассеяния за счёт интерференции электрического и магнитного диполей, находящихся в фазе. Однако традиционная реализация Керкер-условий накладывает фундаментальные ограничения: как электрический, так и магнитный диполи ограничены одноканальным пределом рассеяния. Это препятствует достижению одновременно выбранного направления и высокой интенсивности излучения.

В нашей работе [Li et al., Phys. Rev. Applied, 2025] предложен и реализован на практике новый режим, названный Керкер-суперрассеяние, при котором каждый из дипольных каналов сам по себе превышает одноканальный предел, а их интерференция приводит к резко усиленному и направленному рассеянию (рис. 3.4).

Для достижения данного режима используется цилиндрический диэлектрический резонатор (из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, 8 ~ 9.6), покрытый специально спроектированной метаповерхностью из металла, обладающей осевой симметрией. Метаповерхность позволяет возбуждать дополнительные токи и тороидальные диполи, создавая электрический супердиполь путём конструктивной интерференции обычного и тороидального диполя, и магнитный супердиполь за счёт синфазных магнитных моментов в керамическом резонаторе и метаповерхности.

Рис. 3.4. Схема Керкер-суперрассеяния: (а) структура - диэлектрический резонатор (DR), покрытый метаповерхностью; (б) Схема образования электрического и магнитного супердиполей; (в) направленное усиленное рассеяние.

Условия Керкер-суперрассеяния определяются выполнением одновременно двух критериев, налагаемых на коэффициенты рассеяния Ми:

(3.2)

Реализация данных условий обеспечивается генетическим алгоритмом оптимизации параметров метаповерхности, что позволяет точно настроить резонансную частоту и фазу каждого мультиполя.

Результаты были подтверждены в микроволновом диапазоне с использованием векторного анализатора цепей и подвижной измерительной платформы (см. рис. 3.5). В экспериментах наблюдалось резкое подавление обратного рассеяния (0=180 градусов) и увеличение общего сечения рассеяния до четырёх одноканальных пределов, что является рекордным для Керкер-конфигураций.

Временные измерения показали, что реализованный Керкер-суперрассеиватель также обладает узкой спектральной полосой и высокой добротностью, что подтверждает интерференционную природу эффекта и соответствие теоретической модели. Важно отметить, что структура демонстрирует устойчивость к потерям в диэлектрике, так как основное излучение формируется в метаповерхности. Это делает её применимой в реальных условиях.

С технической точки зрения, Керкер-суперрассеяние представляет собой компактный механизм генерации направленного излучения, не требующий массивных линз или фокусирующих элементов. Это делает его особенно привлекательным для разработки интегрируемых антенн в субмикронном и миллиметровом диапазоне, в том числе в системах 5G/6G-связи и интернет вещей (1оТ), где важна направленность при ограниченном размере элемента.

Кроме того, благодаря высокой добротности и узкой резонансной линии, такие структуры являются перспективными платформами для сенсоров. Даже незначительное изменение окружающей среды (показатель преломления, температура, состав газа) приводит к заметному сдвигу резонансной частоты или изменению направленности, что делает Керкер-

Рис. 3.5. (a) Экспериментальная установка для измерения распределений электромагнитного ближнего и дальнего поля в условиях сверхрассеяния Керкера. (б) Измеренное (точки) и рассчитанное (сплошные линии) нормализованное рассеяние структуры с метаповерхностью (синий цвет) и без неё (красный цвет). (в) Измеренные

ближнепольные распределения рассеяния в плоскости xy на резонансной частоте. (г) Экспериментально измеренные (точки) и рассчитанные (линии) диаграммы дальнего поля при сверхрассеянии Керкера.

суперрассеиватели конкурентоспособными по чувствительности с плазмонными сенсорами [Shrivastav et al, Commun. Biol., 2021].

В области метаповерхностей и фотонных кристаллов Керкер-суперрассеяние позволяет реализовывать Гюйгенсовские метаповерхности, обладающие фазовой и амплитудной управляемостью, без необходимости в сложных многоуровневых структурах. Такие поверхности могут обеспечивать произвольную трансформацию фронта волны, включая фокусировку, генерацию оптических вихрей и даже пространственно-временные манипуляции [Yu et al, Nat. Mater., 2014; Wang et al., Laser Photonics Rev., 2017].

Также следует подчеркнуть, что концепция Керкер-суперрассеяния применима не только в оптическом, но и в радиочастотном и терагерцовом диапазонах, что позволяет использовать её в системах радиолокации, беспроводной передачи энергии и адаптивных отражающих поверхностях (reconfigurable intelligent surfaces, RIS) [Cui et al., Light Sci. Appl., 2022].

Таким образом, Керкер-суперрассеяние представляет собой фундаментально и технически значимый режим взаимодействия света с веществом, сочетающий в себе преимущества высокой направленности, высокой интенсивности и масштабируемости. Его внедрение в прикладные системы открывает новые перспективы в антенной инженерии, сенсорике, адаптивной оптике и коммуникациях, обеспечивая эффективные решения там, где ранее существовали фундаментальные физические ограничения. Это делает данный эффект важным не только для фундаментальной физики, но и для прикладных задач, развивающихся в направлении миниатюризации, интеграции и интеллектуального управления излучением.

3.4. Прямое наблюдение фотонного спинового сдвига Холла на основе суперрассеяния

Фотонный спиновый сдвиг Холла (PSHS) - это малое поперечное смещение в направлении, перпендикулярном плоскости рассеяния, возникающее при отражении, преломлении или рассеянии циркулярно поляризованного света на границе сред или наночастицах за счёт спин-орбитального взаимодействия света. Впервые этот эффект был обнаружен экспериментально с помощью метода слабых измерений, позволившего усилить

едва заметный сдвиг для регистрации на детекторе [Hosten et al., Science, 2008]. Авторам удалось напрямую измерить спин-Холловский сдвиг светового пучка, отражённого от призмы, используя квантовые слабые измерения. Однако метод слабых измерений сложен и не подходит для практического наблюдения PSHS в обычных условиях. Альтернативным путём стали специальные наноструктуры - метаповерхности и метаматериалы, которые позволяют управлять параметрами рассеяния. К примеру, метаповерхности на основе резонансных антенных массивов способны значительно усиливать эффективный PSHS и выводить эффективность рассеяния на уровень, достаточный для регистрации сдвига в дальней зоне [Kim et al., Nat. Commun., 2022]. Тем не менее, все эти подходы фокусировались главным образом на плоских структурах (2D-системах), тогда как задача наблюдения PSHS при рассеянии на отдельных 3D-наночастицах оставалась нерешённой из-за крайне малой величины эффекта и слабого рассеяния.

Для увеличения PSHS от одиночных наночастиц предлагалось использовать частицы с дуальной симметрией, обладающие одновременно сильными электрическим и магнитным резонансами. Такая ситуация теоретически удовлетворяет первому условию Керкера (равенство и фазовое совпадение электрического и магнитного дипольных моментов) и приводит к усилению спин-орбитального взаимодействия [Zambrana-Puyalto et al., Opt. Lett., 2013]. В частности, было показано, что у диэлектрической сферы при выполнении условия дуальности может наблюдаться увеличенный PSHS [Gao et al., Laser Photon. Rev., 2018]. Однако первое условие Керкера также вызывает эффекты направленного рассеяния -например, почти полное погашение назад рассеянной волны - и поэтому максимальный спиновый сдвиг у дуально-симметричной сферы возникает в направлении обратного рассеяния (близком к 180°) [Gao et al., Laser Photon. Rev., 2018]. В этой геометрии интенсивность рассеянного излучения стремится к нулю из-за деструктивной интерференции диполей, что делает прямое обнаружение PSHS в дальней невозможным. Увеличение общего рассеяния за счёт оптимизации формы частицы (например, небольшого сплющивания сферы) позволяет немного повысить интенсивность при сохранении дуальности [Sun et al., Laser Photon. Rev., 2022]. Тем не менее даже в оптимизированных «квазидуальных» частицах максимум PSHS остаётся привязанным к почти обратному направлению, где интенсивность остаётся слишком низкой для регистрации и затруднительной для детектирования. Таким образом, в рамках традиционных подходов существовал компромисс: чем больше величина сдвига, тем меньше доля рассеянного в этом направлении света.

Решение проблемы одновременного усиления PSHS и интенсивности его дальнезонного проявления, предложенное нами, связано с применением суперрассеяния, реализованного с помощью предложенного нами механизма, основанного на физике связанных состояний в континууме и модовой интерференции [Canos Valero et al., Nat. Commun., 2023] (см. рис. 3.6).

Рис. 3.6. (а) Художественное изображение рассеяния: циркулярно поляризованный свет падает на частицу с нарушенной осевой симметрией вдоль направления распространения света. Вектор Пойнтинга в ближнем поле, содержащий особенности (сингулярности) вблизи частицы, показан с помощью линий в плоскости, проходящей через центр рассеивателя. Спин-орбитальное взаимодействие, вызванное скачком показателя преломления на границе частицы, приводит к смещению положения изображения рассеивателя в пространстве, которое проявляется в дальней зоне и может быть зафиксировано в рассеянии. (б) Диаграммы рассеяния в дальней зоне, малая кривая представляет обычные рассеиватели, работающие в рамках первого условия Керкера и ограниченные одноканальным пределом. Большая кривая соответствует сверхрассеивателю, находящемуся вблизи условий Керкера, с усиленным рассеянием, значительно превышающим дипольные ограничения. (в) Вклады отдельных мультиполей рассеивателя в зависимости от длины волны падающего света. Супердиполи вносят основной вклад в полное сечение рассеяния и определяют режим сверхрассеяния (превышающий одноканальный предел почти в три раза). Диаграммы излучения в дальней зоне при различных длинах волн, обозначенные цифрами, соответствуют перекрывающимся электрическим и магнитным диполям и представлены на вставке.

Идея нашего подхода заключается в том, чтобы воспользоваться суперрассеянием для усиления PSHS без уменьшения интенсивности сигнала. Для этого предложено использовать сфероидальные диэлектрические частицы - суперрассеиватели, в которых за счёт несферичности происходит сильное взаимное влияние нескольких резонансных мод. Совокупность этих факторов - сильное спин-орбитальное взаимодействие поля вблизи частицы и выход за одноканальный предел по интенсивности - обеспечивает сверхэффективное (высокоинтенсивное) проявление PSHS в дальней зоне. Теоретические

расчёты показывают, что для предложенной сфероидальной частицы можно усилить сигнал PSHS на несколько порядков по сравнению с обычной сферой той же размерности в области проявления спин-Холловского сдвига.

а)

1.5

<Р

Г 1.о

X

д:

>х

I 0.5

§

X

О

0.0 !

Рис. 3.7. Прямое наблюдение PSHS в рассеянном поле: (а) — Сравнение экспериментальных результатов для PSHS с теоретическими расчётами, полученными на основе теории Ми. (б) — Экспериментально измеренная и теоретически рассчитанная интенсивность излучения в дальней зоне. Частота возбуждения составляет 6.02 ГГц, а рассеиватель выполнен из керамического композита с полуосями 26 мм и 5 мм. Диэлектрическая проницаемость рассеивателя принята равной е' = 15.2, при потерях tan(5) ~ 10~4.

Экспериментальная демонстрация данного подхода была выполнена на микроволновой установке. В качестве суперрассеивателя использовалась керамическая частица в форме эллипсоида вращения. Полученное значение спин-Холловского сдвига совпало с расчетным по теории Ми для сфероида, подтвердив справедливость предложенного подхода (рис. 3.7). Полученная интенсивность сигнала, примерно, на два порядка превышала последнюю для дуальных частиц. Угол наблюдения при этом также оказался удобным для измерения и последующих применений ~125 градусов.

Таким образом, впервые был напрямую обнаружен и исследован фотонный спин-Холловский сдвиг при рассеянии света на одиночной наночастице без использования методов слабого измерения или специальных интерфейсных схем. Продемонстрированная экспериментально концепция эффективного наблюдения PSHS не только подтверждает фундаментальные теоретические предсказания, но и открывает путь к созданию новых оптоэлектронных устройств, использующих спиновые степени свободы света для прецизионной оптики и нанофотоники.

К примеру, возможность напрямую измерять PSHS в дальней зоне открывает путь к созданию компактных поляризационно-чувствительных сенсоров, способных регистрировать мельчайшие изменения в оптической среде, включая индекс преломления, асимметрию формы и даже наличие специфических молекул на поверхности частицы. Такие сенсоры могут быть использованы в биомедицинской диагностике, нанометрологии и экологическом мониторинге. Кроме того, PSHS предоставляет новый инструмент для оптического управления и манипуляции отдельными фотонами, что особенно перспективно в контексте спин-фотонной логики, нанофотонных схем и квантовых коммуникаций, где важна дифференциация состояний света по поляризации. Важным преимуществом рассеяния на одной частице является его локализованный и направленный характер, позволяющий интегрировать соответствующие компоненты в сверхкомпактные фотонные устройства, включая метапиксели, сенсорные матрицы и оптические нейроморфные системы.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе решён комплекс задач, направленных на развитие фундаментальных и прикладных основ нанофотоники диэлектрических резонансных структур. Исследование охватывает широкий спектр явлений, связанных с управлением светом в субволновом масштабе — от локализации и перенаправления энергии до усиленного направленного рассеяния, маскировки и модуляции оптических сил. В ходе работы выполнено системное теоретическое и экспериментальное исследование ряда новых электродинамических эффектов и реализованы инновационные фотонные устройства на их основе.

Одним из ключевых результатов стало выявление и количественное обоснование возможности повышения спектрально интегрированного светопоглощения в тонкоплёночных кремниевых солнечных элементах за счёт массивов диэлектрических метаатомов, формирующих фотонные наноджеты (Р№). Установлено, что такие структуры способны локализовать излучение внутри активного слоя и повышать поглощение на ~10% по сравнению с последним без покрытия либо покрытого традиционными просветляющими слоями. Это позволяет использовать Р№ в качестве эффективного, недорогого и технологически масштабируемого элемента для усиления светопоглощения без утолщения активной области.

Развивая идею субволновой фокусировки, в работе предложен и теоретически описан новый эффект — фотонный крюк (Photonic Hook). В отличие от классического наноджета, он представляет собой искривлённый световой пучок с радиусом кривизны менее длины волны, возникающий вблизи асимметричных диэлектрических микроструктур. Такой пучок позволяет реализовать оптический захват и транспорт частиц вдоль изогнутых траекторий, включая обход препятствий, что имеет важное значение для микрофлюидики, оптоакустических систем и адресной доставки веществ в биоаналитике.

Предложена и реализована новая архитектура гибкого прозрачного метаматериала, основанного на комбинации перфорированной металлической плёнки и массива диэлектрических микросфер. Такая структура обеспечивает одновременно высокую прозрачность (>90% в прямом направлении), направленность пропускания (асимметрия до 5:1) и низкое листовое сопротивление (~2,8 Ом/кв), а также демонстрирует устойчивость к многократным циклам изгиба без деградации характеристик. Электрод может использоваться в гибких солнечных элементах, прозрачной электронике, фотонных интерфейсах и сенсорных устройствах нового поколения.

Существенным научным результатом стало открытие и реализация поперечного эффекта Керкера в диэлектрических резонаторах и метаповерхностях. Установлено, что согласованная интерференция электрических и магнитных дипольных и квадрупольных моментов позволяет перенаправить рассеяние в поперечное направление с подавлением рассеяния вперед и назад. На этой основе разработан идеальный диэлектрический поглотитель, демонстрирующий практически полное поглощение света (>98%) при размещении на зеркальной подложке, несмотря на крайне низкие потери в материале (tan 5 < 10~3). Этот результат открывает путь к созданию метаструктур для управления тепловыми потоками, нелинейными взаимодействиями и устройств маскировки на заданной частоте.

Отдельное внимание уделено режимам направленного усиленного рассеяния — супер-Керкеру и суперрассеянию в целом. В резонаторах с нарушенной симметрией продемонстрирована возможность превышения одноканального предела рассеяния за счёт сильной связи квазинормальных мод и формирования супермультипольных состояний. Впервые реализован режим Керкер-суперрассеяния, при котором усиленное направленное излучение сопровождается подавлением обратного. Это открывает новые возможности для

создания фотонных антенн, излучателей и сенсоров с высокой добротностью и направленностью.

Значительный вклад в практическую оптоэлектронику вносит также открытый эффект маскировки от излучения за счёт возможности формирования обширной тени позади суперрассеивателя. В такой конфигурации объект эффективно перенаправляет падающий поток энергии вбок, создавая за собой зону с минимальным радиационным давлением. Это может использоваться для защиты чувствительных элементов в оптических схемах или маскировки объектов без уменьшения собственной видимости рассеивателя, что перспективно для фотонных систем управления излучением и камуфляжа.

Все теоретические положения работы подтверждены численным моделированием и экспериментальными исследованиями. Полученные результаты обладают высокой степенью новизны и практической применимости и формируют базу для дальнейшего развития диэлектрических метаповерхностей и оптических устройств с контролируемыми направлениями и уровнями рассеяния, поглощения и светового давления.

Таким образом, проведённое исследование вносит значительный вклад в развитие нанофотоники и функциональных фотонных материалов, раскрывая как фундаментальные механизмы управления светом, так и конкретные решения для прикладных задач в энергетике, сенсорике, оптомеханике и гибкой электронике.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] AS. Shalin, S.V. Sukhov, A.E. Krasnok, S.A. Nikitov. Plasmonic nanostructures for local field enhancement in the UV region // PhotonicsNanostruct. -2014. - T. 12, - No. 1. - C. 2-8. ИФ 2,5, Q2.

2. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] A. S. Shalin, P. Ginzburg, P. A. Belov, Y. S. Kivshar, A. V. Zayats. Nano-Opto-Mechanical Effects in Plasmonic Waveguides // Laser & Photonics Reviews. - 2014. - Т. 8. - No. 1. - С. 131-136. ИФ 11,7, Q1.

3. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Sergey Krasikov, Ivan V. Iorsh, Alexander Shalin, and Pavel A. Belov. Levitation of finite-size electric dipole over epsilon-near-zero metamaterial // Phys. Status Solidi RRL. - 2014. - Т. 8. - No. 12. - С. 1015-1018. ИФ 2,6, Q2.

4. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Sergey Sukhov, Alexander Shalin, David Haefner, and Aristide Dogariu. Actio et reactio in optical binding // Optics Express, Optics Express. - 2015. - Т. 23. - No. 1. - С. 247-252. ИФ 3,6, Q1.

5. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexander S. Shalin, Pavel Ginzburg, Alexey A. Orlov, Ivan Iorsh, Pavel A. Belov, Yuri S. Kivshar, and Anatoly V. Zayats. Scattering suppression from arbitrary objects in spatially dispersive layered metamaterials // Physical Review B. - 2015. - Т. 91. - No. 12. - С. 125426. ИФ 3,4, Q1.

6. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] D. A. Baranov, P. A. Dmitriev, I. S. Mukhin, A. K. Samusev, P. A. Belov, C. R. Simovski, A. S. Shalin. Broadband Antireflective Coatings Based on Two-Dimensional Arrays of Subwavelength Nanopores // Applied Physics Letters.

- 2015. - Т. 106. - No. 17. - С. 171913. ИФ 3,5, Q1.

7. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] A. V. Chebykin, A. A. Orlov, A. S. Shalin, A. N. Poddubny, and P. A. Belov. Strong Purcell effect in anisotropic s-near-zero metamaterials // Physical Review B. - 2015. - Т. 91. - No. 20. - С. 205126. ИФ 3,4, Q1.

8. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel M. Voroshilov, Constantin R. Simovski, Pavel A. Belov and Alexander S. Shalin. Light-Trapping and Antireflective Coatings for Amorphous Si-Based Thin Film Solar Cells // Journal of Applied Physics. - 2015. - Т. 117. - No. 20.

- С. 203101. ИФ 2,6, Q2.

9. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexander S. Shalin, Sergey V. Sukhov, Andrey A. Bogdanov, Pavel A. Belov, and Pavel Ginzburg. Optical Pulling Forces in Hyperbolic Metamaterials // Physical Review A. - 2015. - Т. 91. - No. 6. - С. 063830. ИФ 2,7, Q1.

10. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexander. S. Shalin, Kseniia V. Baryshnikova, Alexey S. Kadochkin. Nanostructural Antireflecting Coatings: Classification Analysis // Optics and Spectroscopy. - 2015. - Т. 119. - No. 3. - С. 343-355. ИФ 0.6, Q4.

11. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Andrey A. Bogdanov, Alexander S. Shalin, Pavel Ginzburg. Optical forces in nanorod metamaterial // Scientific Reports. - 2015. - Т. 5. -С. 15846. ИФ 3,9, Q1.

12. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexey P. Slobozhanyuk, Pavel Ginzburg, David A. Powell, Ivan Iorsh, Alexander S. Shalin, Paulina Segovia, Alexey V. Krasavin, Gregory A. Wurtz, Viktor A. Podolskiy, Pavel A. Belov, and Anatoly V. Zayats. Purcell effect in hyperbolic metamaterial resonators // Physical Review B. - 2015. - Т. 92. - No. 19. - С. 195127. ИФ 3,4, Q1.

13. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] V. V. Klimov, I. V. Treshin, A. S. Shalin, P. N. Melentiev, A. A. Kuzin, A. E. Afanasiev, V. I. Balykin. Optical Tamm State and Giant Asymmetry of Light Transmission through an Array of Nanoholes // Physical Review A. - 2015. - Т. 92. - No. 6. - С. 063842. ИФ 2,7, Q1.

14. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] M. I. Petrov, S. V. Sukhov, A. A. Bogdanov, A. S. Shalin, A. Dogariu. Surface Plasmon Polariton Assisted Optical Pulling Force // Laser & Photonics Reviews. - 2016. - Т. 10. - No. 1. - С. 116-122. ИФ 11,7, Q1.

15. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] D. Markovich, K. Baryshnikova, A. Shalin, A. Samusev, A. Krasnok, P. Belov, P. Ginzburg. Enhancement of Artificial Magnetism via Resonant Bianisotropy // Scientific Reports. - 2016. - Т. 6. - С. 22546. ИФ 3,9, Q1.

16. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] В. А. Миличко, А. С. Шалин, И. С. Мухин, А. Э. Ковров, А. А. Красилин, А. В. Виноградов, П. А. Белов, К. Р. Симовский. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // Успехи физических наук. - 2016. - Т. 186. - No. 8. - С. 801-852. ИФ 2.6, Q2.

17. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Dmitry S. Filonov, Alexander S. Shalin, Ivan Iorsh, Pavel A. Belov, and Pavel Ginzburg. Controlling Electromagnetic Scattering with Wire Metamaterial Resonators // Journal of the Optical Society of America A. - 2016. - Т. 33. - No. 10. - С. 1910-1916. ИФ 1,5, Q2.

18. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Vitali Kozlov, Dmitry Filonov, Alexander S. Shalin, Ben Z. Steinberg, and Pavel Ginzburg. Asymmetric Backscattering from the

Hybrid Magneto-Electric Meta Particle // Applied Physics Letters. - 2016. - Т. 109. - No. 20. - С. 203503. ИФ 3,5, Q1.

19. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Angeleene S. Ang, Sergey V. Sukhov, Aristide Dogariu, and Alexander S. Shalin. Scattering Forces within a Left-Handed Photonic Crystal // Scientific Reports. - 2017. - Т. 7. - С. 41014. ИФ 3,9, Q1.

20. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, Kseniia V. Baryshnikova, Alexander S. Shalin, Alina Karabchevsky, and Andrey B. Evlyukhin. Resonant Forward Scattering of Light by High Refractive-Index Dielectric Nanoparticles with Toroidal Dipole Contributions // Optics Letters. - 2017. - Т. 42. - No. 4. - С. 835-838. ИФ 3,5, Q1.

21. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Aliaksandra Ivinskaya, Mihail I. Petrov, Andrey A. Bogdanov, Ivan Shishkin, Pavel Ginzburg, and Alexander S. Shalin. Plasmon-Assisted Optical Trapping and Anti-Trapping // Light: Science & Applications. - 2017. - Т. 6. - No. 5. - С. e16258. ИФ 15,6, Q1.

22. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kseniia V. Baryshnikova, Andrey Novitsky, Andrey B. Evlyukhin, and Alexander S. Shalin. Magnetic Field Concentration with Coaxial Silicon Nanocylinders in the Optical Spectral Range // Journal of the Optical Society of America B. -2017. - Т. 34. - No. 7. - С. D36-D41. ИФ 2,0, Q2.

23. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Andrey Novitsky, Alexander S. Shalin, and Andrei V. Lavrinenko. Spherically Symmetric Inhomogeneous Bianisotropic Media: Wave Propagation and Light Scattering // Physical Review A. - 2017. - Т. 95. - No. 5. - С. 053818. ИФ 2,7, Q1.

24. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, Kseniia V. Baryshnikova, Yuriy A. Artemyev, Alina Karabchevsky, Alexander S. Shalin, and Andrey B. Evlyukhin. Multipolar Response of Nonspherical Silicon Nanoparticles in the Visible and Near-Infrared Spectral Ranges // Physical Review B. - 2017. - Т. 96. - No. 3. - С. 035443. ИФ 3,4, Q1.

25. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexey S. Kadochkin, Alexander S. Shalin, and Pavel Ginzburg. Granular Permittivity Representation in Extremely Near-Field LightMatter Interaction Processes // ACS Photonics. - 2017. - Т. 4. - No. 9. - С. 2137-2143. ИФ 6,8, Q1.

26. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Igor S. Nefedov and Alexander S. Shalin. Radiative Pulling Forces, Exerted by Evanescent Fields along a Hyperbolic Metamaterial Slab // Physica Status Solidi RRL. - 2017. - Т. 11. - No. 11. - С. 1700219. ИФ 2,6, Q2.

27. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis Zhigunov, Andrey B. Evlyukhin, Alexander S. Shalin, Urs Zywietz, and Boris N. Chichkov. Femtosecond Laser Printing of Single Ge and SiGe Nanoparticles with Electric and Magnetic Optical Resonances // ACS Photonics. - 2018. - Т. 5. - No. 3. - С. 977-983. ИФ 6,8, Q1.

28. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Liyang Yue, Oleg Minin, Zengbo Wang, James Monks, Alexander Shalin, and Igor Minin. Photonic Hook: A New Curved Light Beam // Optics Letters. - 2018. - Т. 43. - No. 4. - С. 771-774. ИФ 3,5, Q1.

29. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Angeleene S. Ang, Alina Karabchevsky, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Sergey V. Sukhov, and Alexander S. Shalin. Photonic Hook' Based Optomechanical Nanoparticle Manipulator // Scientific Reports. - 2018. - Т. 8. - С. 2029. ИФ 3,9, Q1.

30. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Olga E. Glukhova, Igor S. Nefedov, Alexander S. Shalin, and Michael M. Slepchenkov. New 2D Graphene Hybrid Composites as an Effective Base Element of Optical Nanodevices // Beilstein Journal of Nanotechnology. - 2018. - Т. 9. - С. 1321-1327 ИФ 2,8, Q2.

31. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] D. Vestler, I. Shishkin, E. A. Gurvitz, M. E. Nasir, A. Ben-Moshe, A. P. Slobozhanyuk, A. V. Krasavin, T. Levi-Belenkova, A. S. Shalin, P. Ginzburg, G. Markovich, And A. V. Zayats. Circular Dichroism Enhancement in Plasmonic Nanorod Metamaterials // Optics Express. -2018. - Т. 26. - No. 14. - С. 17841-17848. ИФ 3,6, Q1.

32. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Alexey S. Kadochkin, Ivan I. Shishkin, Alexander S. Shalin, Pavel Ginzburg. Quantum sensing of motion in colloids via time-dependent Purcell effect // Laser and Photonics Reviews. - 2018. - Т. 12. - No. 9. - С. 1800042. ИФ 11,7, Q1.

33. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kovrov A., Novitsky A., Karabchevsky A., Shalin A. S. A Photonic Nanojet as Tunable and Polarization-Sensitive Optical Tweezers // Annalen der Physik. - 2018. - Т. 530. - No. 9. - С. 1800129. ИФ 2.4, Q2.

34. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Alina Karabchevsky, Andrei V. Lavrinenko, Alexander S. Shalin, Andrey Novitsky. PT symmetry breaking in multilayers with resonant loss and gain locks light propagation direction // Physical Review B. -2018. - Т. 98. - No. 12. - С. 125102. ИФ 3.4, Q1.

35. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Baryshnikova K. V., Filonov D., Simovski C., Evlyukhin A. B., Kadochkin A. S., Nenasheva E., Ginzburg P., Shalin A. S. Giant

magnetoelectric field separation via anapole-type states in high-index dielectric structures // Physical Review B. - 2018. - Т. 98. - No. 16. - С. 165419. ИФ 3.4, Q1

36. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Ivinskaya A., Kostina N., Proskurin A., Petrov M. I., Bogdanov A. A., Sukhov S., Krasavin A. V., Karabchevsky A., Shalin A. S., Ginzburg P. Optomechanical Manipulation with Hyperbolic Metasurfaces // ACS Photonics. - 2018. - Т. 5. - No. 11. - С. 4371-4377. ИФ 6,8, Q1.

37. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kucherik A., Kutrovskaya S., Osipov A., Gerke M., Chestnov I., Arakelian S. M., Shalin A. S., Evlyukhin A. B., Kavokin A. V. Nano-antennas based on silicon-gold nanostructures // Scientific Reports. - 2019. - Т. 9. - No. 1. - С. 338. ИФ 3,9, Q1.

38. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky and Alexander S. Shalin. All-Optical Transmission Modulation Due to Inelastic Interactions of Ultrashort Pulses in a Disordered Resonant Medium // Annalen der Physik. - 2019. - Т. 531. - No. 2. - С. 1800405. ИФ 2,4, Q2.

39. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, Viktoriia E. Babicheva, Kseniia V. Baryshnikova, Alexander S. Shalin, Alina Karabchevsky, and Andrey B. Evlyukhin. Multipole analysis of dielectric metasurfaces composed of nonspherical nanoparticles and lattice invisibility effect // Physical Review B. - 2019. - Т. 99. - No. 4. - С. 045424. ИФ 3,4, Q1.

40. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Natalia Kostina, Mihail Petrov, Aliaksandra Ivinskaya, Sergey Sukhov, Andrey Bogdanov, Ivan Toftul, Manuel Nieto-Vesperinas, Pavel Ginzburg, and Alexander S. Shalin. Optical binding via surface plasmon polariton interference // Physical Review B. - 2019. - Т. 99. - No. 12. - С. 125416. ИФ 3,4, Q1.

41. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, Kseniia V. Baryshnikova, Yakov Greenberg, Yuan Hsing Fu, Andrey B. Evlyukhin, Alexander S. Shalin, and Alina Karabchevsky. Enhanced absorption in all-dielectric metasurfaces due to magnetic dipole excitation // Scientific Reports. - 2019. - Т. 9. - No. 1. - С. 3438. ИФ 3,9, Q1.

42. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Egor A. Gurvitz, Konstantin S. Ladutenko, Pavel A. Dergachev, Andrey B. Evlyukhin, Andrey E. Miroshnichenko, and Alexander S. Shalin. The high-order toroidal moments and anapole states in all-dielectric photonics // Laser and Photonics Reviews. - 2019. - Т. 13. - No. 5. - С. 1800266. ИФ 11,7, Q1.

43. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, H. K. Shamkhi, E. A. Gurvitz, K. V. Baryshnikova, A. B. Evlyukhin, A. S. Shalin, and A. Karabchevsky. Broadband

forward scattering from dielectric cubic nanoantenna in lossless media // Optics Express. - 2019. - Т. 27. - No. 8. - С. 10924-10935. ИФ 3,6, Q1.

44. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Alexander S. Shalin, and Andrey Novitsky. Nonlocal homogenization of PT-symmetric multilayered structures // Physical Review A. - 2019. - Т. 99. - No. 4. - С. 043812. ИФ 2,7, Q1.

45. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Hadi K. Shamkhi, Kseniia V. Baryshnikova, Andrey Sayanskiy, Polina Kapitanova, Pavel D. Terekhov, Pavel Belov, Alina Karabchevsky, Andrey B. Evlyukhin, Yuri Kivshar, and Alexander S. Shalin. Transverse Scattering and Generalized Kerker Effects in All-Dielectric Mie-Resonant Metaoptics // Physical Review Letters.

- 2019. - Т. 122. - No. 19. - С. 193905. ИФ 8,2, Q1.

46. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pavel D. Terekhov, Andrey B. Evlyukhin, Alexander S. Shalin, Alina Karabchevsky. Polarization-dependent asymmetric light scattering by silicon nanopyramids and their multipoles resonances // J. Appl. Phys. - 2019. - Т. 125.

- No. 17. - С. 173108. ИФ 2,6, Q2.

47. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, D. N. Redka and Alexander S. Shalin, Different regimes of ultrashort pulse propagation in disordered layered media with resonant loss and gain // Ann. Phys. - 2019. - Т. 531. - No. 9. - С. 1900080. ИФ 2,7, Q2.

48. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Adria Canos Valero, Aleksandr Krotov, Toms Salgals, Alexander S. Shalin, Andrey V. Novitsky. CPA-lasing associated with the quasibound states in the continuum in asymmetric non-Hermitian structures // ACS Photonics. - 2022. - Т. 9. - No. 9. - С. 3035-3042. ИФ 6,8, Q1.

49. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Hadi K. Shamkhi, Andrey Sayanskiy, Adria Canos Valero, Anton S. Kupriianov, Polina Kapitanova, Yuri S. Kivshar, Alexander S. Shalin, Vladimir R. Tuz. Transparency and perfect absorption of all-dielectric resonant metasurfaces governed by the transverse Kerker effect // Phys. Rev. Materials. - 2019. - Т. 3. - No. 8.

- С. 085201. ИФ 3,0, Q1.

50. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Hani Barhom, Andrey Machnev, Roman E. Noskov, Alexander A. Goncharenko, Egor Gurvitz, Alexander S. Timin, Vitaliy A. Shkoldin, Sergei V. Koniakhin, Olga Yu. Koval, Mikhail Zyuzin, Alexander Sergeevich Shalin, Ivan Shishkin, Pavel Ginzburg. Biological Kerker effect boosts light collection efficiency in plants // Nano Lett. - 2019. - Т. 19. - No. 10. - С. 7062-7071. ИФ 9,6, Q1.

51. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Alexander S. Shalin. Kink-based mirrorless quasi-bistability in resonantly absorbing media // Opt. Lett. - 2020. - Т. 45. - No. 1. - С. 137-140. ИФ 3,5, Q1.

52. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kostina N. A., Kislov D. A., Ivinskaya A. N., Proskurin A., Redka D. N., Novitsky A., Ginzburg P., Shalin A. S. Nanoscale tunable optical binding mediated by hyperbolic metamaterials // ACS Photonics. - 2020. - Т. 7. - No. 2. - С. 425-433. ИФ 6,8, Q1.

53. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kislov D., Novitsky D., Kadochkin A., Redka D., Shalin A. S., Ginzburg P. Diffusion-inspired time-varying phosphorescent decay in a nanostructured environment // Physical Review B. - 2020. - Т. 101. - No. 3. - С. 035420. ИФ 3,4, Q1.

54. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Terekhov P. D., Evlyukhin A. B., Redka D., Volkov V. S., Shalin A. S., Karabchevsky A. Magnetic Octupole Response of Dielectric Quadrumers // Laser & Photonics Reviews. - 2020. - Т. 14. - No. 4. - С. 1900331. ИФ 11,7, Q1.

55. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Novitsky A., Lyakhov D., Michels

D., Pavlov A. A., Shalin A. S., Novitsky D. V. Unambiguous scattering matrix for non-Hermitian systems // Physical Review A. - 2020. - Т. 101. - No. 4. - С. 043834. ИФ 2,7, Q1.

56. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Canos Valero A., Kislov D., Gurvitz

E. A., Shamkhi H. K., Pavlov A. A., Redka D., Yankin S., Zemânek P., Shalin A. S. Nanovortex-Driven All-Dielectric Optical Diffusion Boosting and Sorting Concept for Lab-on-a-Chip Platforms // Advanced Science. - 2020. - Т. 7. - No. 11. - С. 1903049. ИФ 14,4, Q1.

57. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Ang A. S., Shalin A. S., Karabchevsky A. Tailored optical potentials for Cs atoms above waveguides with focusing dielectric nano-antenna // Optics Letters. - 2020. - Т. 45. - No. 13. - С. 3512-3515. ИФ 3,5, Q1

58. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Yuriy A. Artemyev, Vassili Savinov, Aviad Katiyi, Alexander S. Shalin, Alina Karabchevsky. Non-isolated sources of electromagnetic radiation by multipole decomposition for photonic quantum technologies on a chip with nanoscale apertures // Nanoscale Advances. - 2021. - Т. 3. - No. 1. - С. 190-197. ИФ 4,6, Q1.

59. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Dmitry Lyakhov, Dominik Michels, Dmitrii Redka, Alexander A. Pavlov, Alexander S. Shalin. Controlling wave fronts with tunable disordered non-Hermitian multilayers // Scientific Reports. - 2021. - Т. 11. - С. 4790. ИФ 3,9, Q1.

60. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Adrià Canos Valero, Egor A. Gurvitz, Fedor A. Benimetskiy, Dmitry A. Pidgayko, Anton Samusev, Andrey B. Evlyukhin, Vjaceslavs Bobrovs, Dmitrii Redka, Michael I. Tribelsky, Mohsen Rahmani, Khosro Zangeneh Kamali, Alexander A. Pavlov, Andrey E. Miroshnichenko, Alexander S. Shalin. Theory, observation, and ultrafast response of the hybrid anapole regime in light scattering // Laser and Photonics Reviews. - 2021. - Т. 15. - No. 10. - С. 2100114. ИФ 13,1, Q1.

61. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis A. Kislov, Egor A. Gurvitz, Vjaceslavs Bobrovs, Alexander A. Pavlov, Dmitrii N. Redka, Manuel I. Marqués, Pavel Ginzburg, Alexander S. Shalin. Multipole Engineering of Attractive-Repulsive and Bending Optical Forces // Advanced Photonics Research. - 2021. - Т. 2. - No. 9. - С. 2100082. ИФ 3,7, Q2.

62. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Denis V. Novitsky, Alexander S. Shalin, Dmitrii T. Redka, Vjaceslavs Bobrovs, Andrey V. Novitsky. Quasibound states in the continuum induced by PT symmetry breaking // Phys. Rev. B. - 2021. - Т. 104. - No. 8. - С. 085126. ИФ 3,4, Q1.

63. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kuznetsov A. V., Canos Valero A., Tarkhov M., Bobrovs V., Redka D., Shalin A. S. Transparent Hybrid Anapole Metasurfaces with Negligible Electromagnetic Coupling for Phase Engineering // Nanophotonics. - 2021. - Т. 10. - No. 17. - С. 4385-4398. ИФ 6,9, Q1.

64. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Zanganeh E., Song M., Canos Valero A., Shalin A. S., Nenasheva E., Miroshnichenko A., Evlyukhin A. B., Kapitanova P. Nonradiating Sources for Efficient Wireless Power Transfer // Nanophotonics. - 2021. - Т. 10. - No. 17. - С. 43994408. ИФ 6,9, Q1.

65. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Mozharov A., Berdnikov Y., Solomonov N., Novikova K., Nadoyan I., Shkoldin V., Golubok A., Kislov D., Shalin A. S., Petrov M., Mukhin I. Nanomass Sensing via Node Shift Tracing in Vibrations of Coupled Nanowires Enhanced by Fano Resonances // ACS Applied Nano Materials. - 2021. - Т. 4. - No. 11. - С. 1198911996 ИФ 5,4, Q1

66. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kostina N., Petrov M., Bobrovs V., Shalin A. S. Optical pulling and pushing forces via Bloch surface waves // Optics Letters. - 2022. - Т. 47. - No. 18. - С. 4592-4595. ИФ 3,5, Q1.

67. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kuznetsov A. V., Canos Valero A., Shamkhi H. K., Terekhov P., Ni X., Bobrovs V., Rybin M., Shalin A. S. Special scattering regimes

for conical all-dielectric nanoparticles // Scientific Reports. - 2022. - Т. 12. - No. 1. - С. 21904. ИФ 3,9, Q1.

68. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Yanina I. Yu., Dyachenko (Timoshina) P. A., Abdurashitov A. S., Shalin A. S., Minin I. V., Minin O. V., Bulygin A. D., Vrazhnov D. A., Kistenev Yu. V., Tuchin V. V. Light distribution in fat cell layers at physiological temperatures // Scientific Reports. - 2023. - Т. 13. - No. 1. - С. 1073. ИФ 3,9, Q1.

69. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Jiang X., Huang Y., Ma P., Shalin A. S., Gao L. The temporal dynamics of nonlocal plasmonic nanoparticle under the ultrashort pulses // Results in Physics. - 2023. - Т. 48. - С. 106437. ИФ 4,9, Q1.

70. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Canos Valero A., Shamkhi H. K., Kupriianov A. S., Weiss T., Pavlov A. A., Redka D., Bobrovs V., Kivshar Yu., Shalin A. S. Superscattering Emerging from the Physics of Bound States in the Continuum // Nature Communications. - 2023. - Т. 14. - No. 1. - С. 4689. ИФ 13,7, Q1.

71. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Jiang X., Huang Y., Ma P., Shalin A. S., Gao L. Temporal Dynamics of an Asymmetrical Dielectric Nanodimer Wrapped with Graphene // Photonics. - 2023. - Т. 10. - No. 8. - С. 914. ИФ 2,3, Q2.

72. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Wang C., Shi R., Gao L., Shalin A. S., Luo J. Quenching of second-harmonic generation by epsilon-near-zero media // Photonics Research. - 2023. - Т. 11. - No. 8. - С. 1437-1448. ИФ 7,1, Q1.

73. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Huang Y., Gao L., Ma P., Jiang X., Fan W., Shalin A. S. Nonlinear chaotic dynamics in nonlocal plasmonic core-shell nanoparticle dimer // Optics Express. - 2023. - Т. 31. - No. 12. - С. 19646- 19656. ИФ 3,6, Q1.

74. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Novitsky D. V., Shalin A. S. Virtual perfect absorption in resonant media and their PT - symmetric generalizations // Physical Review A. -2023. - Т. 108. - No. 5. - С. 053513. ИФ 2,7, Q1.

75. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kislov D., Ofer D., Machnev A., Barhom H., Bobrovs V., Shalin A. S., Ginzburg P. Optothermal Needle-Free Injection of Vaterite Nanocapsules // Advanced Science. - 2023. - Т. 11. - No. 5. - С. 2305202. ИФ 14,4, Q1.

76. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Shalin A. S., Canos Valero A., Miroshnichenko A. All-DielectricNanophotonics - Elsevier, 2023. - 420 p. ISBN: 978-0-323-951951.

77. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Canos Valero A., Bobrovs V., Weiss T., Gao L., Shalin A. S., Kivshar Yu. Bianisotropic exceptional points in an isolated dielectric nanoparticle // Physical Review Research. - 2024. - Т. 6. - No. 1. - С. 013053.ИФ 3,8, Q1.

78. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Canos Valero A., Borovkov D., Kalganov A., Dudnikova A., Sidorenko M., Dergachev P., Gurvitz E. A., Gao L., Bobrovs V., Miroshnichenko A., Shalin A. S. On the Existence of Pure, Broadband Toroidal Sources in Electrodynamics // Laser & Photonics Reviews. - 2024. - Т. 18. - No. 4. - С. 2200740. ИФ 11,7, Q1.

79. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Timoshnev S., Kazakin A., Shubina K., Andreeva V., Fedorenko E., Koroleva A., Zhizhin E., Koval O., Kurinnaya A., Shalin A. S., Bobrovs V., Enns Y. Annealing Temperature Effect on the Physical Properties of NiO Thin Films Grown by DC Magnetron Sputtering // Advanced Materials Interfaces. - 2024. - Т. 11. - No. 9. - С. 2300815. ИФ 4,6, Q1

80. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Nadoyan I., Solomonov N., Novikova K., Pavlov A., Sharov V., Mozharov A., Permyakov D., Shkoldin V., Kislov D., Shalin A. S., Golubok A., Petrov M., Mukhin I. Parametric Optothermal Modulation of Carbon Nanooscillator Decorated with Mie Resonant Silicon Particle // Advanced Optical Materials. - 2024. - Т. 12. - No. 19. - С. 2400228. ИФ 8,3, Q1.

81. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Yang M., Jiang X., Shalin A. S., Gao L. Tunable temporal dynamics of dipole response in graphene-wrapped core-shell nanoparticles // Journal of Applied Physics. - 2024. - Т. 135. - No. 19. - С. 193109. ИФ 2,6, Q2.

82. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Kislov D., Voroshilov P., Kadochkin A., Veniaminov A., Zakharov V., Svetukhin V. V., Bobrovs V., Koval O., Komendo I., Azamov A. M., Bolshakov A., Dvoretckaia L., Mozharov A., Goltaev V., L Gao, Volkov V., Arsenin A., Ginzburg P., Mukhin I., Shalin A. S. Flexible Asymmetrically Transparent Conductive Metamaterial Electrode based on Photonic Nanoj et Arrays // Laser & Photonics Reviews. - 2025. - Т. 19. - No. 2. - С. 2570005. ИФ 11,7, Q1.

83. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Ramanovich M., Novitsky A., Bobrovs V., Shalin A. S., Novitsky D. V. Exceptional points in PT-symmetric layered structures with an anisotropic defect // Physical Review B. - 2024. - Т. 110. - No. 19. - С. 195423. ИФ 3,4, Q1.

84. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Pradhan M., Sharma S., Kislov D., Shalin A. S., Varshney S. K. High Purcell Factor Driven by Simultaneous Bianisotropy and Anapole

State in All-Dielectric Metasurfaces // Laser & Photonics Reviews. - 2024. - Т. 19. - No. 5. - С. 2401102. ИФ 11,7, Q1.

85. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] Jiangshui Li, Zhanyuan Zhang, Yi Xu, Songnian Fu, Jun Yang, Yuncai Wang, Alexander S. Shalin, Yuwen Qin. Kerker superscattering // Physical Review Applied. - 2025. - Т. 23. - No. 1. - С. 014001. ИФ 4,0, Q1

86. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] A. V. Yulin, A. Aladyshkina, A. S. Shalin. Motion of dissipative optical fronts under the action of an oscillating pump // Physical Review E. - 2016. - Т. 94. - С. 022205. ИФ 2,3, Q2

87. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] D. A. Dolinina, A. S. Shalin, A. V. Yulin. Dynamics of particles trapped by dissipative solitons // JETP Letters. - 2019. - 110, - С. 744749. ИФ 1,4, Q3

88. [Индексируется базой данных WoS, Scopus] D. A. Dolinina, A. S. Shalin, A. V. Yulin. Complex Dynamics of Optical Solitons Interacting with Nanoparticles // JETP Letters. - 2020. - T. 111, - C. 268-272. ИФ 1,4, Q3

ПАТЕНТЫ

1. Патент на полезную модель 138049 (заявка 2013149206/28) Российская Федерация МПК H01L 31/18, В82Б 1/00. Широкополосное наноструктурированное просветляющее покрытие / Шалин А.С., Кадочкин А.С.; заявитель ФГБОУ ВПО "Ульяновский государственный университет". Заявлено 05.11.2013. Опубликовано: 27.02.2014, Бюл. № 6.

2. Патент на изобретение 2710481 (заявка 2018145644) Российская Федерация МПК H01L 21/00, G02F 1/1343. Прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света и способ его изготовления / Симовский К.Р., Шалин А.С., Вениаминов А.В., Мухин И.С..; заявитель ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО». Заявлено 20.12.2018; дата регистрации патента 26.12.2019, Бюл. № 36.