Коллективные эффекты в оптических метаповерхностях на основе частиц с резонансными ближнеполевыми и экситонными откликами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шестериков Александр Вячеславович

• Шестериков Александр Вячеславович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Шестериков Александр Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Особенности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в системах «графен -квантовый эмиттер»

1.1.1. Поверхностная проводимость графена

1.1.2. Плазмоны в монослое графена

1.1.3. Условия реализации сильной связи между ППП на пространственно-ограниченных графеновых структурах и квантовым излучателем

1.1.4. Коллективные взаимодействия излучателей вблизи поверхности графена

1.1.5. Особенности использования численных методов для моделирования плазмонов в графене

1.2. Теоретические и практические особенности реализации квазизапертых мод

1.2.1 Коллективные резонансы в оптических метаповерхностях для создания сенсоров и узкоспкектральных поглотителей

1.2.2. Поддерживающие бианизотропный отклик диэлектрические наночастицы как основа для захвата и управления светом

1.2.3. Квазизапертые моды в двумерном массиве наночастиц

1.3. Управление поляризационно-фазовыми характеристиками света с помощью метаматериалов

1.3.1. Генерация векторных оптических пучков на основе метаматериалов

1.3.2. Управление фазово-поляризационными свойствами света за счёт возбуждения электромагнитного дипольного отклика в массивах анизотропных диэлектрических резонаторов

Выводы к главе

ГЛАВА 2. Гибридные схемы возбуждения коллективных резонансов с поверхностными плазмон-поляритонами в массивах квантовых точек вблизи графена

Введение

2.1. Задача распространения ППП, генерируемого на одном листе графена

2.2. Контроль люминесценции КТ в ИК-диапазоне

2.3. Анализ эффективности преобразования света в ППП с КТ вблизи поверхности графена

2.4. Особенности коллективных резонансов с ППП в массивах КТ вблизи графена

Выводы к главе

ГЛАВА 3. Квазизапертые моды в метаповерхностях анизотропных MoS2 наночастиц для управления поляризацией и поглощением в телекомовском диапазоне длин волн

Введение

3.1. Оптические свойства отдельных дисков Мо82 дисков

2

3.2. Дипольные поляризуемости одиночных наночастиц

3.3. Квазизапертые моды MoS2 метаповерхностей

Выводы к главе

ГЛАВА 4. Кросс-поляризационные эффекты в метаповерхностях на основе наноразмерных кремниевых кубоидов с дефектом формы

Введение

4.1. Анализ поляризационных особенностей рассеяния света одиночными кубоидами с дефектом

4.2. Анализ и характеризация оптических свойств метаповерхностей на основе кремниевых кубоидов

4.3. Кросс-поляризационные эффекты в метаповерхности, состоящей из кубоидов с дефектами

Выводы к главе

Заключение

Приложение А. Разложение поля по мультиполям

Приложение Б. Аналитический расчет коэффициентов отражения, пропускания и поглощения в метаповерхности для произвольного направления вектора поляризации падающего поля

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Коллективные эффекты в оптических метаповерхностях на основе частиц с резонансными ближнеполевыми и экситонными откликами»

Актуальность темы исследования

Современные технологии управления светом являются одним из ключевых

драйверов таких базовых отраслей промышленности как энергетика, космическая

промышленность, микроэлектроника, наноиндустрия, микробиология. Основным

направлением развития фотонных технологий сегодня является повышение

степени интеграции отдельных фотонных элементов до уровня создания «умных»

материалов - метаматериалов. В этом случае функции сбора, обработки и

маршрутизации потоков электромагнитной энергии инкапсулированы в единую

структуру такого материала, «строительные блоки» которого оптимизированы на

решение конкретных задач подобно тому, как строится иерархия функций клеток

биологических систем. При этом, существует устойчивый интерес к

использованию уже имеющейся материальной базы и подходов плазмоники и

диэлектрической нанофотоники для создания высокоэффективных микро- и

нанорезонаторов, систем концентрации и хранения световой энергии на основе

субволновой локализации света периодическими структурами. К примеру,

поддерживающие сильную связь системы на основе квантовых излучателей и

плазмонных нанорезонаторов могут служить основой для высокоэффективного

преобразования энергии электромагнитных волн в локализованное на

наномасштабе ближнее поле. С другой стороны, коллективные эффекты, например,

при реализации связанных фотонных состояний в метаповерхностях

диэлектрических наночастиц, могут использоваться для аккумуляции и хранения

световой энергии в субволновых системах. Возможности внешнего управления

диаграммами направленности рассеяния отдельных нанорезонаторов и их

относительными фазами способствуют созданию перестраиваемых

метаповерхностей, необходимых для осуществления эффективных

преобразований над амплитудно-фазовыми и поляризационными

характеристиками прошедшего/отраженного света. Вместе с тем, отдельной

проблемой является проектирование решеток наночастиц и метаповерхностей под

4

заданные параметры преобразования электромагнитных волн, что является одной из задач настоящего исследования.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является выявление новых особенностей и способов для осуществления оптического управления коллективными ближнеполевыми эффектами в упорядоченных оптических решетках и субдифракционных метаповерхностях на основе наночастиц и квантовых точек, изготовленных как из традиционных диэлектрических и полупроводниковых материалов, так и новых ван-дер-ваальсовых слоистых материалов, сочетающих высокий показатель преломления, гигантскую анизотропию и яркие экситонные резонансы. Также, целью работы является разработка стратегии проектирования метаповерхностей на основе поддерживающих (би-) и анизотропный отклик наночастиц для реализации высокодобротных резонансов и управления поляризационными характеристиками отраженного/прошедшего света в таких системах.

Научная новизна диссертационной работы

Научная новизна работы определяется развитием новых подходов управления ближнеполевым откликом отдельных квантовых излучателей и наночастиц, а также их массивов на основе использования оригинальных схем оптоплазмонного взаимодействия в гибридных системах на основе полупроводниковых квантовых точек и графеновых структур. В частности, были изучены условия для эффективной концентрации ближнего поля полупроводниковых квантовых точек за счёт реализации коллективных резонансов с поверхностными плазмон-поляритонами, локализованными на графене. Также, в работе впервые рассмотрена модель анизотропной метаповерхности, в которой реализуются условия для появления квазизапертых мод и для наблюдения высокодобротных уединённых резонансов коэффициента отражения света метаповерхностью в ближнем инфракрасном диапазоне, в том числе, на

5

телекомовской длине волны 1550 нм. Эффект обусловлен использованием сильно анизотропных дихалькогенидов переходных металлов, в частности MoS2, в качестве материала для изготовления «строительных блоков» метаповерхности. Это определяет дополнительную степень свободы для управления спектральным положением поляризационно-чувствительных коллективных резонансов в такой метаповерхности в широких пределах. Кроме того, в работе впервые был произведён полный расчет дизайнов для расположенных на кварцевой подложке метаповерхностей из поддерживающих сильный анизотропный отклик кремниевых кубоидов с малым дефектом формы. Анализ оптических свойств такой системы показал, что изучаемые метаповерхности обладают яркими свойствами преобразователя поляризации для отраженного света в диапазоне длин волн 4501250 нм и могут выступать в качестве высокоэффективных электрического и магнитного зеркал.

Методология и методы исследования

В ходе выполнения работы использовались аналитические модели с использованием полуклассического приближения и формализма матрицы плотности, численное моделирование осуществлялось в прикладных программных пакетах MATLAB R20a, Wolfram Mathematica 12.1, Mathcad 15, COMSOL Multiphysics 5.4. Для расчета зависимости энергии формируемых экситонов, дипольных моментов переходов от размера квантовых точек, скоростей радиационной и нерадиационной релаксаций были использованы некоммерческие программные модули, разработанные совместно с соавторами и прошедшие государственную регистрацию. Численное моделирование взаимодействия полупроводниковых квантовых точек с поверхностными плазмон-поляритонами на графене осуществлялось с использованием реализованных численных алгоритмов на основе модифицированного метода конечных разностей во временной области. Все разработанные модели и предсказанные эффекты прошли проверку в рамках выполненных численных, а также лабораторных экспериментальных

исследований, в т.ч. с использованием созданных на основе разработанных в рамках диссертации дизайнов метаповерхностей.

Теоретическая и практическая значимость работы

Выполненные исследования усиления электромагнитных полей в ближней волновой зоне оптоплазмонных систем на основе массива квантовых точек вблизи графеновой поверхности ориентированы на разработку прототипов перестраиваемых источников излучения, оптических переключателей, а также новых ультратонких оптических устройств для управления поляризационными, фазовыми и амплитудными характеристиками оптического излучения на субволновых масштабах. Спроектированные в настоящей работе метаповерхности, поддерживающие режим генерации квазизапертых мод перспективны для использования в качестве распределённых резонаторов и реализации с их помощью эффективной накачки двумерных лазерных систем. С другой стороны, наличие узких спектральных особенностей в спектрах отражения метаповерхностей делает их отличными кандидатами для создания высокочувствительных сенсоров и сенсорных покрытий на гибком основании. В частности, при поднесении нанобиообъекта к такой метаповерхности происходит значительный частотный сдвиг и модификация спектров отражения, что может быть сравнительно просто продетектировано. Еще одной особенностью для изучаемых коллективных эффектов в метаповерхностях является их поляризационная чувствительность, что может быть использовано при проектировании монослойных поляризаторов/анализаторов, а также для создания поляризационных зеркал и оптических маршрутизаторов.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Метод оптимизации параметров гибридной оптоплазмонной схемы взаимодействия для реализации условий сильной связи в системе «графен-квантовые излучатели» и эффективной генерации поверхностных плазмон-поляритонов на поверхности допированного графена в режиме конструктивной

интерференции ближнеполевых откликов отдельных квантовых точек вблизи его поверхности.

2. Способ возбуждения квазизапертых мод и реализации высокодобротных уединенных резонансов коэффициента отражения света в ближнем инфракрасном диапазоне для метаповерхности на основе МоБ2 дисков со сквозным отверстием, поддерживающих резонансный бианизотропный отклик магнитного типа.

3. Стратегия проектирования поляризационных преобразователей, основанная на выявленных корреляциях между спектральным положением резонансного отклика для основной компоненты дипольного момента, возбуждаемой в наночастице правильной формы и резонанса второстепенной дипольной компоненты при внесения малого дефекта в геометрический профиль наночастицы.

4. Дизайн метаповерхности на основе размещенных на кварцевой подложке кремниевых кубоидов с малым дефектом формы для практического наблюдения кросс-поляризационного эффекта, заключающегося в эффективном преобразовании энергии в поляризационную компоненту отраженного от метаповерхности света, ортогональную вектору напряженности электрического поля плоскополяризованной волны, падающей на метаповерхность.

Степень достоверности и апробация результатов

Использование и применение общепринятых физических методов, методологий проведения необходимых экспериментов, а также строгих математических моделей является основой достоверности результатов диссертационной работы. Основные результаты были представлены и обсуждались на 11 российских и международных профильных конференциях:

1. 7-ая Международная конференция «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», 8 - 12 ноября 2018 г., г. Владимир - г. Суздаль.

2. 61-ая Всероссийская научная конференция МФТИ, г. Долгопрудный, 1925.11.2018 г.

3. METANANO 2018, 17-21 September 2018, Sochi.

4. Международный конгресс 2D Materials 2019, International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications, 30th September - 04th October 2019, Sochi Olympic Park, Sochi, Russia.

5. 62-ая Всероссийская научная конференция МФТИ, г. Долгопрудный, 2019 г.

6. XIII Международные Чтения по квантовой оптике (IWQO-2019), г. Владимир, 2019 г.

7. Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 29 - 31 января 2020 года, Москва, НИЯУ МИФИ

8. International Conference on Materials Physics, Building Structures and Technologies in Construction, Industrial and Production Engineering (MPCPE-2021) Vladimir, 26 - 28 April 2021.

9. METANANO 2021, Tbilisi, Georgia, 13 - 17 September 2021.

10. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2021, г. Пермь, 5 - 8 октября 2021.

11. Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 1 - 3 февраля 2023 года, Москва, НИЯУ МИФИ.

Публикации автора по теме диссертации

По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в рецензируемых журналах [A1-A4], входящих в системы цитирования Web of Science и Scopus. Также, 1 статья [A5] опубликована в arXiv-препринте.

Личный вклад соискателя

Все оригинальные результаты, опубликованные в настоящей работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Соискатель принимал участие в постановке задачи, активно участвовал в численном моделировании, обработке и интерпретации экспериментальных данных, занимался подготовкой публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Список литературы насчитывает 170 наименований, в том числе 5 работ автора. Полный объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Особенности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в системах «графен - квантовый эмиттер»

Создание условий для реализации сильной связи между квантовым излучателем (КИ) и электромагнитным полем в субволновых системах является одним из приоритетов современной нанофотоники и наноплазмоники [1]. Наносистемы, поддерживающие сильную связь в системе «излучатель-поле», являются основой для создания высокоэффективных источников ближнеполевого излучения [2] и источников поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) [3], решеток наночастиц для направленного рассеяния света [4], устройств передачи энергии [5], наноантенн [6], высокочувствительных датчиков [7, 8] и систем с квантовой перепутанностью [9, 10]. Такие системы характеризуются значительным увеличением локальной плотности оптических состояний при наложении граничных условий на наномасштабе [ 11]. Целое направление -квантовая электродинамика (КЭД) с одним атомом в микрорезонаторе [ 12], основано на изучении систем, где выполняется условие сильной связи из-за преобладания индуцированной скорости переизлучения фотонов д в моду резонатора над скоростью спонтанного распада излучателя уц и над скоростью затухания внутрирезонаторного поля у5. Наличие сильной связи в таких системах имеет принципиальное значение для компенсации влияния диссипативных эффектов в процессе преобразования свободного поля в связанные состояния и последующего энергоэффективного управления ими.

Рассматривая кандидатов для реализации условий сильной связи, следует выделить полупроводниковые квантовые точки (КТ), поскольку они обладают большими дипольными моментами межуровневых переходов по сравнению с атомами. Поэтому, их использование позволяет еще больше повысить эффективность силы связи излучатель-поле [13] в КЭД системах. Кроме того, меняя размер КТ, можно легко менять условия их взаимодействия с полем

резонатора. В то же время, масштабы самих резонаторов кратны длине волны света и все еще очень велики для того, чтобы эффективно решать задачу взаимодействия вещества и поля на наномасштабе. Следовательно, переход к истинному наномасштабу требует ограничения электромагнитной волны, что может быть достигнуто, например, для ППП в нанорезонаторах [14]. Такие состояния электромагнитного поля, в частности, локализуются на границе проводник-диэлектрик, а особенно ярко они проявляют себя в случае использования тонких металлических пленок, а также двумерных материалов по типу графена.

1.1.1. Поверхностная проводимость графена

Оптический отклик монослоя графена характеризуется значением его поверхностной проводимости. Теоретически, её значение можно получить, используя формулу Кубо [15-18]:

_ ie2(v+iT-1) [ гы \Е\ dfd(E) fd(-E)-fd(E) 1

nh2 V-™(v + iT-1)2 дЕ J0 (v+ir-1)2-4(E/h)2 Г ( )

где fd(E) = 1/(1 — ехр[(Е — ßc)/(kBT)]) - распределение Ферми-Дирака, Е -энергия, е - единичный заряд электронов, h - приведенная постоянная Планка, кв - постоянная Больцмана, ßc - химический потенциал, т - время затухания электронов. Формула состоит из двух слагаемых и может быть представлена в следующем виде og = ointra + ointer, соответствующих внутризонным и межзонным переходам электронов, соответственно. При условии, что htä, \ßc\ » квТ вклады внутризонных и межзонных переходов можно приблизительно определить по формулам [16, 17]:

_ - ; е2квТ Uint'rn L

intra Lnh2(u+iz-i) е2

^inter i ~ " ^^

ßc

e2 1 \2\ßc\-h(w+iz-1)

4nh

kBT \ 1 \ kBT;

(1.3)

.2\ßc\+h(M+iz-1)

В инфракрасной области имеем ш » т 1. Кроме того, межзонный вклад эффективно подавляется, когда 1^с1 » Ьш/2, при этом преобладают внутризонные

переходы, а графен ведет себя как тонкий лист металла. В таком случае, поверхностная проводимость будет определяться уравнением (1.2). Кроме того, поскольку |дс| » квТ, поверхностная проводимость упрощается до модели, подобной модели Друде [16, 17]:

Представленная модель предполагает, что поверхностная проводимость графена является почти чисто мнимой величиной при низкой температуре и высоком химическом потенциале. Именно при условиях |дс| » Ьш/2 графен способен локализовать на своей поверхности и поддерживать распространение ППП. Кроме того, действительная часть од, определяемая т, описывает омические потери в графене. При комнатной температуре (Т = 300 К), время релаксации электронов принимается равным т = 0,5 пс. Это значение соответствует среднему расстоянию свободного пробега электронов в 500 нм, что согласуется с экспериментальными данными и вполне может отражать потери в графене при переносе заряда [18, 19].

В тонкой металлической пленке поддерживается два типа ППП: симметричные ППП с достаточно большой длиной распространения и практически не распространяющиеся антисимметричные ППП. Из-за сверхмалой толщины графена, симметричные ППП представляют собой почти свободные плоские волны, которые плохо локализуются на графене. Однако, антисимметричные ППП обладают более высокой степенью локализации и являются основой для получения графеновых плазмонов (ГП).

1.1.2. Плазмоны в монослое графена

Если рассматривать одиночный лист графена, окруженный диэлектриком с диэлектрической проницаемостью £й, то магнитное поле вокруг графена для ТМ-волн можно описать следующим образом:

А+ ехр(—кх),х > 0 А- вхр(кх) ,х < 0

Здесь А± - амплитуды ГП, к = (к^р — £ак^)-1/2, где кСР - волновой вектор графенового плазмона, а к0 = 2п/Х, X - длина волны света в воздухе. Согласно уравнениям Максвелла имеем Е2 = 1ц0/(£ак0)дНу/дх. Здесь = ^^0/£0 -волновое сопротивление (импеданс) вакуума (д0 - магнитная постоянная, £0 -электрическая постоянная). Таким образом, тангенциальное электрическое поле можно записать как:

—1щ0/(£ак0)А+ехр(—кх),х > 0 1щ0/(£ак0)А- ехр(кх) ,х < 0

Ег = { -л - - - (1.6)

Согласно граничным условиям [16, 17], Е+ = Ег , Н+ — Н- = одЕг при х = 0 можно вычислить закон дисперсии ГП в монослойном графене. Здесь знаки (+) и (-) обозначают стороны над и под графеновым листом. Волновой вектор ГП определяется выражением:

кСР = ко

Ч

* — & (17)

Длина затухания ГП по обе стороны диэлектрика определяется выражением 6 = к-1 = -ц0ад/(21£ак0). Как следствие, можно определить такой характерный параметр как плазмонную толщину графена [19]:

^ = 28 = щод/(1£йко). (1.8)

Величина % в точности равна эффективной ширине моды ГП в графене. Данный показатель играет важную роль в оптической связи графена. Используя выражение 1.8 для %, уравнение (1.7) можно переписать следующим образом:

каР = ко^а + )2. (1.9)

Поскольку кСР » к0, то приблизительно имеем кСР « 2/%. Таким образом, длина волны ГП определяется выражением ЛСР = 2п/кСР «. Можно определить, что при Л = 10 мкм и комнатной температуре поверхностная проводимость графена, полученная с помощью уравнений (1.2) и (1.3) будет равна ад = 0,0012 + 10,0768 мСм. Тогда можно вычислить волновое число ГП равное кСР = 43,43 + 0.681 мкм-1 и эффективный показатель преломления ГП равный

пСР = ^^ = 69,12 + 1,08Ь. При этом, плазмонная толщина графена составит % = к0

46 нм. Насколько видно, данный параметр существенно превосходит истинную толщину графена в 0,33 нм и, потенциально, может обеспечивать хороший «контакт» квантовых излучателей (КИ), подносимых к его поверхности. Длина распространения ГП определяется как ЬСР = (21т(кСР))-1. На рис. 1.1а показан эффективный показатель преломления ГП и длина распространения в единицах длины волны ГП (ЬСР /ЛСР) в зависимости от длины волны падающего излучения.

Отметим, что длина волны 10 мкм как раз соответствует максимуму теплового излучения нагретых тел. С одной стороны, это открывает возможности практической разработки тепловых сенсоров с использованием графена, а, с другой, является негативным фактором. Поскольку тепловой фон способен маскировать и нарушать работу потенциальных устройств иного назначения, функционирующих в данном спектральном диапазоне. Вместе с тем, более востребованными на практике являются наноустройства контроля электромагнитных сигналов в видимом и телекомовском диапазонах. Речь идет о нанопреобразователях, маршрутизаторах, сенсорах для обработки локализованных состояний света, а также масштабируемых системах эффективного управления свободным оптическим излучением. В последнем случае речь идет о решетках наноантенн для управления характеристиками отраженного и прошедшего излучения в дальней зоне, а также метаповерхностях и метапокрытиях, обеспечивающих эффективное преобразования световой энергии как в ближней, так и дальней зонах. Для реализации этого могут быть использованы решетки КИ, ближнеполевой отклик которых объединяется через их взаимодействие с ППП в

двумерных материалах, на которые наносится слой КИ. Однако, проблемой на пути реализации подобных систем является существенное сокращение параметра % в видимом и ближнем ИК диапазонах. Решением здесь служит увеличение показателя преломления графена путем его допирования [20-22], использование пространственно-ограниченных моделей на основе графена и, наконец, использование гибридных и нелинейных схем взаимодействия КИ, ППП и света.

X (цш) г (цш)

Рис. 1.1. ГП в однослойном графене. (а) Эффективный показатель преломления ГП (сплошная линия) и длина распространения (штриховая линия) в зависимости от длины волны падающего излучения в воздухе для = 0,15; 0,3 и 0,5 эВ. (б) Ех и (в) Ег распределения ГП в однослойном графене. Рисунок адаптирован из [23].

1.1.3. Условия реализации сильной связи между ППП на пространственно-ограниченных графеновых структурах и квантовым излучателем

Характерной особенностью системы квантовый излучатель + поверхностный плазмон-поляритон (КИ+ППП) на частотах видимого и ближнего ИК диапазонов является сильное ограничение плазмонных мод на графене, когда действительная часть эффективного показателя преломления графена достигает сотен единиц [23]. Это приводит к значительной концентрации энергии электромагнитного поля на поверхности, сильному уменьшению длины волны моды ППП и возможности полномасштабного управления локализованным светом. В то же время, для реализации сильной связи ППП-КИ требуется расположение КИ на малых

расстояниях от поверхности от единиц до десятков нанометров [20]. Однако, это может привести к тушению излучения КИ [24]. Этот эффект возникает из-за взаимодействия экситонов в КИ и ППП на поверхности графена [25].

На больших расстояниях КИ не «чувствует» сильно локализованное на графене поле от ППП в видимом и ближнем ИК диапазонах. Кроме того, при его приближении на субволновое расстояние к плоскости графена, требуется точный пересчет коэффициентов связи и скоростей релаксации на основе модификации кинетических уравнений КИ в самосогласованном поле [26]. При этом, и характер взаимодействий в таких системах также может быть существенно разным. Например, если КИ и пространственно-ограниченная графеновая структура находятся в непосредственной близости, то они взаимодействуют посредством диполь-дипольного взаимодействия (ДДВ) [5].

Основным фактором, нарушающим условия сильной связи для излучателя и ППП на поверхности тонкой пленки, является существенное увеличение скорости спонтанной релаксации излучателя, расположенного вблизи проводящей поверхности [26, 27]. Одним из возможных решений этих проблем является использование диссипативных плазмонных систем с оптической накачкой и особого типа резонатора на основе современных двумерных материалов [28]. В то же время, чтобы поддерживать условия сильной связи в течение длительного времени и наблюдать режим устойчивого распространения ППП, необходимо обеспечить контроль над конкурентными процессами усиления и потерь в таких системах.

Результатом реализации условий сильной связи является то, что, когда излучатель, такой как возбужденная молекула или квантовая точка, помещается близко к легированному однородному графену, скорость излучения значительно увеличивается, а энергия диссипации КИ в основном преобразуется в ГП. Скорость затухания Г пропорциональна силе связи между матричным элементом дипольного момента перехода й в КИ и действующими на него электромагнитными модами, включая плазмонную моду. Это можно связать с индуцированным на диполе

электрическим полем Е1па (т.е. полем, отраженным графеном) и записать в виде [26]:

Г = Г0+21т(й*Еыа),

(1.10)

где Г0 = 4к01Щ2/3Ь - скорость затухания в свободном пространстве. Для однородного графена индуцированное поле связано с коэффициентами Френеля. В электростатическом пределе получим:

Г~Го+1(Щ112 + 21а±12)^кп2акп1т(-

-1

£а+1+4п1к\\а/ш/

е

-2к\\г

(111)

где 2 - расстояние между КИ и графеном, а || (1) обозначает компоненты, параллельные (перпендикулярные) графену. Экспонента в приведенном выше интеграле эффективно подавляет вклад волновых векторов кц » \/2.

Рис. 1.2. Связь дипольного эмиттера с графеновыми плазмонами. Ближнее электрическое поле, создаваемое перпендикулярно-ориентированным графену диполем, расположенным на расстоянии 10 нм от легированного графена. Энергии фотона и Ферми (Ьш и Ее) равны 0,5 эВ. Действительная (мнимая) часть перпендикулярного электрического поля показана трехмерным контуром красного (синего) цветов. Рисунок заимствован из [20].

Скорость затухания КИ достигает пика при энергии фотона ниже Ее , затем резко падает и, наконец, сходится к обычному независимому от Ее значению при энергиях выше 2Е¥, где Ее - энергия Ферми. Это связано с тем, что, когда мода ГП

четко определена, интеграл в уравнении (1.11) разделяется на два отдельных вклада: острый полюс, связанный с излучением в ГП, и широкий фон для волновых векторов кц~1/г, связанных с излучением в каналы с потерями. Полюсный вклад определяет скорость распада КИ в плазмоны:

Г

(2л)4

5р (еЛ+1)Ь

(щ2 + 21а1_\2)

-Апг/Хзр

1

зр

(1.12)

Здесь Азр = 2п/^е(к8р)., кзр « (Ь2/4е2ЕР)(£а + 1)ы(ы + 1/т).

Физически, энергия КИ не может экспоненциально распадаться на ГП со скоростью, превышающей ширину линии плазмонного резонанса к = ыр/Q, где Q = шрт - фактор добротности, ыр - плазмонная частота графена.

Рис. 1.3. Сильная связь в графеновых нанодисках. Зависимость параметра сильной связи д /к от энергии Ферми (а) и радиуса диска (б) для эмиттера, расположенного на 10 нм выше центра легированного графенового диска, для первого порядка (сплошные кривые) и второго порядка (штриховые линии). кривые) моды с азимутальной симметрией т = 0 (зеленые кривые) или т = 1 (красные кривые). Естественная скорость распада излучателя составляет Г0 = 5 • 107 с-1. Рисунок адаптирован из [20].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шестериков Александр Вячеславович, 2023 год

Список литературы

1. Quantum Plasmonics / Ed. by S.I. Bozhevolnyi, L. Martin-Moreno, F. Garcia-Vidal (Springer Series in Solid-State Sciences, V.185). - Springer, 2017. - 327 p.

2. Meng, X. Unidirectional Spaser in Symmetry-Broken Plasmonic Core-Shell Nanocavity / X. Meng, U. Guler, A.V. Kildishev, K. Fujita, K. Tanaka, V.M. Shalaev // Sci. Rep. - 2013. - V.3. - P.1241.

3. Galanzha, E.I. Spaser as a biological probe / E.I. Galanzha, R. Weingold, D.A. Nedosekin, M. Sarimollaoglu, J. Nolan, W. Harrington, A.S. Kuchyanov, R.G. Parkhomenko, F. Watanabe, Z. Nima, A.S. Biris, A.I. Plekhanov, M.I. Stockman, V.P. Zharov // Nat. Commun. - 2017. - V.8. - №24. - P.15528.

4. Evlyukhin, A.B. Collective resonances in metal nanoparticle arrays with dipole-quadrupole interactions / A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, U. Zywietz, B.N. Chichkov // Physical Review B. - 2012. - V.85. - №24. - P.245411.

5. Cox, J.D. Dipole-dipole interaction between a quantum dot and a graphene nanodisk / J.D. Cox, M.R. Singh, G. Gumbs, M.A. Anton, F. Carreno // Physical Review B. - 2012. - V.86. - P.125452.

6. Krasnok, A.E. An antenna model for the Purcell effect / A.E. Krasnok, A.P. Slobozhanyuk, C.R. Simovski, S.A. Tretyakov, A.N. Poddubny, A.E. Miroshnichenko, Y.S. Kivshar, P.A. Belov // Sci. Rep. - 2015. - V.5. - P.12956.

7. Stebunov, Y.V. Highly Sensitive and Selective Sensor Chips with Graphene-Oxide Linking Layer / Y.V. Stebunov, O.A. Aftenieva, A.V. Arsenin, V.S. Volkov // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2015. - V.7. - P. 21727-21734.

8. Komisar, D.A. Optical properties of thin graphene oxide films and their biosensing applications / D.A. Komisar, G.M. Krivova, Y.V. Stebunov, D.I. Yakubovsky, G.A. Ermolaev, A.V. Arsenin, V.S. Volkov // J. Phys. Conf. Ser. - 2020. - V.1461. -P. 012068.

9. Hensen, M. Strong Coupling and Entanglement of Quantum Emitters Embedded in a Nanoantenna-Enhanced Plasmonic Cavity / M. Hensen, T. Heilpern, S.K. Gray, W. Pfeiffer // ACS Photonics. - 2018. - V.5. - P. 240-248.

10. Gubin, M.Yu. Entangled plasmon generation in nonlinear spaser system under the action of external magnetic field / M.Yu. Gubin, A.V. Shesterikov, S.N. Karpov, A.V. Prokhorov // Physical Review B. - 2018. - V.97. - №8. - P.085431.

11. E. Bermüdez-Urena, C. Gonzalez-Ballestero, M. Geiselmann, R. Marty, I.P. Radko, T. Holmgaard, Y. Alaverdyan, E. Moreno, F.J. Garcia-Vidal, S.I. Bozhevolnyi, R. Quidant // Nature Communications. - 2015. - V.6. - Article 7883.

12. Cui, G. Emission spectra and quantum efficiency of single-photon sources in the cavity-QED strong-coupling regime / G. Cui, M.G. Raymer // Physical Review A. -2006. - V.73. - P.053807.

13. Lambropoulos, P. Fundamentals of Quantum Optics and Quantum Information / P. Lambropoulos, D. Petrosyan. - Heidelberg: Springer-Verlag Berlin, 2007. - 325 p.

14. Hümmer, T. Weak and strong coupling regimes in plasmonic QED / T. Hümmer, F.J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, D. Zueco, Physical Review B. - 2013. - V.87. - №.11. - P.115419.

15. Falkovsky, L.A. Optical far-infrared properties of a graphene monolayer and multilayer / L.A. Falkovsky, S.S. Pershoguba // Phys. Rev. B. - 2007. - V.76(15). -P.153410.

16. Hanson, G.W. Dyadic Green's functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene / G.W. Hanson // Journal of Applied Physics. - 2008. -V.103(6). - P.064302.

17. Hanson, G.W. Quasi-transverse electromagnetic mode supported by a graphene parallel-plate waveguide / G.W. Hanson // Journal of Applied Physics. - 2008. -V.104(8). - P.084314.

18. Chen, P.Y. Atomically-thin surface cloak using graphene monolayers / P.Y. Chen, A. Alu // ACS Nano. - 2011. - V.5(7). - P.5855-5863.

19. Wang, B. Strong coupling of surface plasmon polaritons in monolayer graphene sheet arrays / B. Wang, X. Zhang, F.J. Garcia-Vidal, X. Yuan, J. Teng // Phys. Rev. Lett. - 2012. - V.109(7). - P.073901.

20. Koppens, F.H.L. Graphene Plasmonics: A Platform for Strong Light-Matter Interactions / F.H.L. Koppens, D.E. Chang, F.J. Garcia de Abajo // Nano Letters. - 2011. - V.11. - №8. - P.3370-3377.

21. Grigorenko, A. Graphene plasmonics / A. Grigorenko, M. Polini, K. Novoselov // Nature Photon. - 2012. - V.6. - P.749-758.

22. Bao, Q. Graphene Photonics, Plasmonics, and Broadband Optoelectronic Devices / Q. Bao, K.P. Loh // ACS Nano. - 2012. - V.6(5). - P.3677-3694.

23. Graphene science handbook. Electrical and Optical Properties / Ed. by M. Aliofkhazraei, N. Ali, W.I. Milne, C.S. Ozkan, S. Mitura, J.L. Gervasoni. - Boca Raton/London/New York: CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, 2016. - 715 p.

24. Barnes, W.L. Fluorescence near interfaces: The role of photonic mode density / W.L. Barnes // J. Mod. Opt. - 1998. - V.45. - №8. - P.661-699.

25. Brzozowski, M.J. Photoluminescence Quenching in Quantum Emitter, Metallic Nanoparticle, and Graphene Hybrids / M.J. Brzozowski, M.R. Singh // Plasmonics. -2017. - V.12. - P.1021-1028.

26. Novotny, L. Principles of Nano-Optics / L. Novotny, B. Hecht. - New York: Cambridge University Press, 2006. - 558 p.

27. Chance, R.R. Molecular fluorescence and energy transfer near interfaces (Advances in Chemical Physics, V.37) / R.R. Chance, A. Prock, R. Silbey. - New York: John Wiely & Sons, 1978. - 65 p.

28. Gubin, M.Yu. Nonlinear plasmonic switching in graphene-based stub nanoresonatorloaded with core-shell nanowire / M.Yu. Gubin, A.Yu. Leksin, A.V. Shesterikov, V.S. Volkov, A.V. Prokhorov // Applied Surface Science. - 2020. -V.506. - Article 144814.

29. Jaynes, E.T. Comparison of quantum and semiclassical radiation theories with application to the beam maser / E.T. Jaynes, F.W. Cummings // Proc. IEEE. - 1963. -V.51(1). - P.89-109.

30. Meystre, P. Elements of Quantum Optics / P. Meystre, M. Sargent. -Heidelberg: Springer Berlin, 1999. - 432 p.

31. Dzsotjan, D. Dipole-dipole shift of quantum emitters coupled to surface plasmons of a nanowire / D. Dzsotjan, J. Kastel, M. Fleischhauer // Phys. Rev. B. - 2011.

- V.84. - P.075419.

32. Martín-Cano, D. Resonance Energy Transfer and Superradiance Mediated by Plasmonic Nanowaveguides / D. Martín-Cano, L. Martín-Moreno, F.J. García-Vidal, E. Moreno // Nano Lett. - 2010. - V.10. - P.3129.

33. Huidobro, P.A. Superradiance mediated by graphene surface plasmons / P.A. Huidobro, A.Y. Nikitin, C. González-Ballestero, L. Martín-Moreno, F.J. García-Vidal // Phys. Rev. B. - 2012. - V.85. - P.155438.

34. Gubin, M.Yu. All-Plasmonic Switching Effect in the Graphene Nanostructures Containing Quantum Emitters / M.Yu. Gubin, A.Yu. Leksin, A.V. Shesterikov, A.V. Prokhorov, V.S. Volkov // Nanomaterials. - 2020. - V.10. - №1. - Article 122.

35. Singh, M.R. Effect of phonon-plasmon and surface plasmon polaritons on photoluminescence in quantum emitter and graphene deposited on polar crystals / M.R. Singh, M.J. Brzozowski, B. Apter // J. Appl. Phys. - 2016. - V.120. - P.124308.

36. Alipour, A. High Sensitivity and Tunable Nanoscale Sensor Based on Plasmon-Induced Transparency in Plasmonic Metasurface / A. Alipour, A. Farmani, A. Mir // IEEE Sens. J. - 2018. - V.18. - P.7047-7054.

37. Niu, Y. Tunable plasmon-induced transparency with graphene-based t-shaped array metasurfaces / Y. Niu, J. Wang, Z. Hu, F. Zhang // Opt. Commun. - 2018. - V.416.

- P.77-83.

38. Taflove, A. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference TimeDomain Method / A. Taflove, S.C. Hagness. - Norwood, Massachusetts: Artech House, 2000. - 866 p.

39. Brongersma, M.L. Surface Plasmon Nanophotonics / M.L. Brongersma, P.G. Kik. - Dordrecht: Springer Dordrecht, 2007. - 268 p.

40. Zhang, X. TE-polarized beam shaping by a subwavelength metal slit: Finite-difference at frequency-domain simulations / X. Zhang, C. Li.// Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures. - 2009. - V.41(8). - P.1445-1450.

41. Vakil, A. Transformation optics using graphene / A. Vakil, N. Engheta // Science. - 2011. - V.332(6035). - P. 1291.

42. Berini, P. Long-range surface plasmon polaritons / P. Berini // Advances in Optics and Photonics. - 2009. - V.1(3). - P.484-588.

43. Tassin, P. A comparison of graphene, superconductors and metals as conductors for metamaterials and plasmonics / P. Tassin, T. Koschny, M. Kafesaki, C.M. Soukoulis // Nature Photonics. - 2012. - V.6. - P.259-264.

44. Silva, A. Performing Mathematical Operations with Metamaterials / A. Silva, F. Monticone, G. Castaldi, V. Galdi, A. Alu, N. Engheta // Science. - 2014. -V.343. - P.160-163.

45. Ni, X. Broadband light bending with plasmonic nanoantennas / X. Ni, N.K. Emani, A.V. Kildishev, A. Boltasseva, V.M. Shalaev // Science. - 2012. -V.335(6067). - P.427.

46. Kauranen, M. Nonlinear Plasmonics / M. Kauranen, A.V. Zayats // Nature Photonics. - 2012. - V.6. - P.737-748.

47. Billings, L. Exotic optics: Metamaterial world / L. Billings // Nature. - 2013. -V.500. - P.138-140.

48. Khanikaev, A.B. Photonic topological insulators / A.B. Khanikaev, S.H. Mousavi, W.K. Tse, M. Kargarian, A.H. MacDonald, G. Shvets // Nature Materials. - 2013. - V.12. - P.233-239.

49. Marques, R. Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design and Microwave Applications / R. Marques, F. Martin, M. Sorolla. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013. - 336 p.

50. Cai, W. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications / W. Cai, V. Shalaev. - New York: Springer New York, 2010. - 200 p.

51. Pelton, M. Introduction to Metal-Nanoparticle Plasmonics / M. Pelton, G.W. Bryant. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2010. - 296 p.

52. Skorobogatiy, M. Nanostructured and Subwavelength Waveguides: Fundamentals and Applications / M. Skorobogatiy. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2012. - 304 p.

53. McFarland, A.D. Single silver nanoparticles as real-time optical sensors with zeptomole sensitivity / A.D. McFarland, R.P. Van Duyne // Nano Lett. - 2003. - V.3. -P.1057-1062.

54. Lui, N. Planar metamaterial analogue of electromagnetically induced transparancy for plasmonic sensing / N. Lui, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, H. Giessen // Nano Lett. - 2010. - V.10. -P.1103-1107.

55. Evlyukhin, A.B. Detuned electrical dipoles for plasmonic sensing / A.B. Evlyukhin, S.I. Bozhevolnyi, A. Pors, M.G. Nielsen, I.P. Radko, M. Willatzen, O. Albrektse // Nano Lett. - 2010. - V.10. - P.4571-4577.

56. Zhang, W. Nanoscale roughness on metal surfaces can increase tip-enhanced Raman scattering by an order of magnitude / W. Zhang, X. Cui, B.-S. Yeo, T. Schmid, C. Hafner, R. Zenobi // Nano Lett. - 2007. - V.7. - P.1401-1405.

57. Evlyukhin, A.B. Demonstration of Magnetic Dipole Resonances of Dielectric Nanospheres in the Visible Region / A.B. Evlyukhin, S.M. Novikov, U. Zywietz, R.L. Eriksen, C. Reinhardt, S.I. Bozhevolnyi, B.N. Chichkov // Nano Letters. - 2012. -V.12(7). - P.3749-3755.

58. García De Abajo, F.J. Colloquium: Light scattering by particle and hole arrays / F.J. García De Abajo // Rev. Mod. Phys. - 2007. - V.79. - P.1267.

59. Zenin, V.A. Direct Amplitude-Phase Near-Field Observation of Higher-Order Anapole States / V.A. Zenin, A.B. Evlyukhin, S.M. Novikov, Y. Yang, R. Malureanu, A.V. Lavrinenko, B.N. Chichkov, S.I. Bozhevolnyi // Nano Letters. - 2017. - V.17. -P.7152-7159.

60. Miroshnichenko, A.E. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles / A.E. Miroshnichenko, A.B. Evlyukhin, Y.F. Yu, R.M. Bakker, A. Chipouline, A.I. Kuznetsov, B. Luk'yanchuk, B.N. Chichkov, Y.S. Kivshar // Nat. Commun. - 2015. - V.6. - P.8069.

61. Verre, R. Transition metal dichalcogenide nanodisks as high-index dielectric Mie nanoresonators / R. Verre, D. G. Baranov, B. Munkhbat, J. Cuadra, M. Kall,

T. Shegai // Nat. Nanotechnol. - 2019. - V.14. - P.679-683.

135

62. Kuznetsov, S.A. Bolometric THz-to-IR converter for terahertz imaging / S.A. Kuznetsov, A.G. Paulish, A.V. Gelfand, P.A. Lazorskiy, V.N. Fedorinin // Appl. Phys. Lett. - 2011. - V.99. - P.023501.

63. Shen, Y. Plasmonic gold mushroom arrays with refractive index sensing figures of merit approaching the theoretical limit / Y. Shen, J. Zhou, T. Liu, Y. Tao, R. Jiang, M. Liu, G. Xiao, J. Zhu, Z.-K. Zhou, X. Wang, C. Jin, J. Wang // Nat. Commun. - 2013. - V.4. - P.2381.

64. Wu, D. Ultra-narrow Band Perfect Absorber and Its Application as Plasmonic Sensor in the Visible Region / D. Wu, R. Li, Y. Liu, Z. Yu, L. Yu, L. Chen, C. Liu, R. Ma, H. Ye // Nanoscale Res. Lett. - 2017. - V.12. - P.427.

65. Yan, D. Graphene-Assisted Narrow Bandwidth Dual-Band Tunable Terahertz Metamaterial Absorber / D. Yan, M. Meng, J. Li, X. Li // Front. Phys. - 2020. - V.8. -P.306.

66. Shi, L. Ultra-narrow multi-band polarization-insensitive plasmonic perfect absorber for sensing / L. Shi, J. Shang, Z. Liu, Y. Li, G. Fu, X. Liu, P. Pan, H. Luo, G. Liu // Nanotechnology. - 2020. - V.31. - P.465501.

67. Wu, D. Infrared Perfect Ultra-narrow Band Absorber as Plasmonic Sensor / D. Wu, Y. Liu, R. Li, L. Chen, R. Ma, C. Liu, H. Ye // Nanoscale Res. Lett. - 2016. -V.11. - P.483.

68. Lu, X. Metal-dielectric-metal based narrow band absorber for sensing applications / X. Lu, R. Wan, T. Zhang // Opt. Express. - 2015. - V.23. - P.29842-29847.

69. Palik, E.D. Handbook of Optical Constants of Solids / E.D. Palik. - San Diego: Academic Press, 1985. - 804 p.

70. Malitson, I.H. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica / I.H. Malitson // J. Opt. Soc. Am.- 1965. - V.55. - P.1205-1208.

71. Nielsen, M.G. Continuous layer gap plasmon resonators / M.G. Nielsen, D.K. Gramotnev, A. Pors, O. Albrektsen, S.I. Bozhevolnyi // Opt. Express. - 2011. -V.19. - P.19310-19322.

72. Lu, X.Y. High-sensitivity plasmonic sensor based on perfect absorber with metallic nanoring structures / X.Y. Lu, R.G. Wan, F. Liu, T.Y. Zhang // J. Mod. Optic (ahead-of-print). - 2015.- P.1-7.

73. Liu, N. Infrared perfect absorber and its application as plasmonic Sensor / N. Liu, M. Mesch, T. Weiss, M. Hentschel, H. Giessen // Nano Lett. - 2010. - V.10. -P.2342-2348.

74. Knight, M.W. Photodetection with active optical antennas / M.W. Knight, H. Sobhani, P. Nordlander, N.J. Halas // Science. - 2011. - V.332. - P.702-704.

75. Ye, J. Tuning plasmonic interaction between gold nanorings and a gold film for surface enhanced Raman scattering / J. Ye, M. Shioi, K. Lodewijks, L. Lagae, T. Kawamura, P.V. Dorpe // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V.97. - P.163106.

76. Lassiter, J.B. Fano resonance in plasmonic nanoclusters: geometrical and chemical tunability / J.B. Lassiter, H. Sobhani, J.A. Fan, J. Kundu, F. Capasso, P. Nordlander, N.J. Halas // Nano Lett. - 2010. - V. 10. - P.3184-3189.

77. Ameling, R. Cavity-enhanced localized plasmon resonance sensing / R. Ameling, L. Langguth, M. Hentschel, M. Meshch, P.V. Braun, H. Giessen // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V.97. - P.253116.

78. Evlyukhin, A.B. Optical response features of Si-nanoparticle arrays / A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, A. Seidel, B.S. Luk'yanchuk, B.N. Chichkov // Physical Review B. - 2010. - V.82. - №4. - P.045404.

79. Offermans, P. Universal scaling of the figure of merit of plasmonic sensors / P. Offermans, M.C. Schaafsma, S.R.K. Rodriguez, Y. Zhang, M. Crego-Calama, S.H. Brongersma, J. Gómez Rivas // ACS nano. - 2011. - V.5. - P.5151-5157.

80. Babicheva, V.E. Resonant lattice Kerker effect in metasurfaces with electric and magnetic optical responses / V.E. Babicheva, A.B. Evlyukhin // Laser & Photonics Reviews. - 2017. - V.11. - P.1700132.

81. Kravets, V.G. Plasmonic surface lattice resonances: a review of properties and applications / V.G. Kravets, A.V. Kabashin, W.L. Barnes, A.N. Grigorenko // Chemical reviews. - 2018. - V.118. - P.5912-5951.

82. Cherqui, C. Plasmonic surface lattice resonances: Theory and computation / C. Cherqui, M.R. Bourgeois, D. Wang, G.C. Schatz // Accounts of chemical research. -

2019. - V.52. - P.2548-2558.

83. Fan, K. All-dielectric metasurface absorbers for uncooled terahertz imaging / K. Fan, J.Y. Suen, X. Liu, W.J. Padilla // Optica. - 2017. - V.4. - P.601-604.

84. Yang, C.-Y. Nonradiating Silicon Nanoantenna Metasurfaces as Narrowband Absorbers / C.-Y. Yang, J.-H. Yang, Z.-Y. Yang, Z.-X. Zhou, M.-G. Sun, V.E. Babicheva, K.-P. Chen // ACS Photonics. - 2018. - V.5. - P.2596-2601.

85. Wang, Y. All-Dielectric Terahertz Plasmonic Metamaterial Absorbers and High-Sensitivity Sensing / Y. Wang, D. Zhu, Z. Cui, L. Hou, L. Lin, F. Qu, X. Liu, P. Nie // ACS Omega. - 2017. - V.4. - P.601-604.

86. Wang, Y. Optically tunable single narrow band all-dielectric terahertz metamaterials absorber / Y. Wang, L. Yue, Z. Cui, X. Zhang, X. Zhang, Y.Q. Zhu, K. Zhang // AIP Adv. - 2020. - V.10. - P.045039.

87. Tian, J. Near-Infrared Super-Absorbing All-Dielectric Metasurface Based on Single-Layer Germanium Nanostructures / J. Tian, H. Luo, Q. Li, X. Pei, K. Du, M. Qiu // Laser Photonics Rev. - 2018. - V. 12. - P.1800076.

88. Gubin, M.Y. Schemes for Excitation of Collective Resonances with Surface Plasmon Polaritons in Arrays of Quantum Dots in the Proximity of Graphene / M.Y. Gubin, A.V. Shesterikov, A.V. Prokhorov, V.S. Volkov // Laser Photonics Rev. -

2020. - V.14. - P.2000237.

89. Zhang, J. Near-infrared trapped mode magnetic resonance in an all-dielectric metamaterial / J. Zhang, K.F. MacDonald, N.I. Zheludev // Optics express. - 2013. -V.21. - P.26721-26728.

90. Tuz, V.R. All-dielectric resonant metasurfaces with a strong toroidal response / V.R. Tuz, V.V. Khardikov, Y.S. Kivshar // ACS Photonics. - 2018. - V.5. - P.1871-1876.

91. Mackay, T.G. Electromagnetic Anisotropy and Bianisotropy: A Field Guide / T.G. Mackay, A. Lakhtakia. - Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2010. - 288 p.

92. Koshelev, K. Meta-optics and bound states in the continuum / K. Koshelev, A. Bogdanov, Y. Kivshar // Sci. Bull. - 2019. - V.64. - P.836-842.

93. Evlyukhin, A.B. Bianisotropy for light trapping in all-dielectric metasurfaces / A.B. Evlyukhin, V.R. Tuz, V.S. Volkov, B.N. Chichkov // Phys. Rev. B. - 2020. - V.101.

- P.205415.

94. Tuz, V.R. High-quality trapped modes in all-dielectric metamaterials / V.R. Tuz, V.V. Khardikov, A.S. Kupriianov, K.L. Domina, S. Xu, H. Wang, H.-B. Sun // Opt. Express. - 2018. - V.26. - P.2905-2916.

95. Xu, L. Dynamic Nonlinear Image Tuning through Magnetic Dipole Quasi-BIC Ultrathin Resonators / L. Xu, K.Z. Kamali, L. Huang, M. Rahmani, A. Smirnov, R. Camacho Morales, Y. Ma, G. Zhang, M. Woolley, D. Neshev, A.E. Miroshnichenko // Adv. Sci. - 2019. - V.6. - P.1802119.

96. Kamali, K.Z. Reversible Image Contrast Manipulation with Thermally Tunable Dielectric Metasurfaces / K.Z. Kamali, L. Xu, J. Ward, K. Wang, G. Li, A.E. Miroshnichenko, D. Neshev, M. Rahmani // Small. - 2019. - V.15. - P.1805142.

97. Monticone, F. Can a Nonradiating Mode Be Externally Excited? Nonscattering States versus Embedded Eigenstates / F. Monticone, D. Sounas, A. Krasnok, A. Alu // ACS Photonics 2019. - V.6. - P.3108-3114.

98. Abujetas, D.R. Spectral and temporal evidence of robust photonic bound states in the continuum on terahertz metasurfaces / D.R. Abujetas, N. van Hoof, S. ter Huurne, J.G. Rivas, J.A. Sánchez-Gil // Optica. - 2019. - V.6. - P.996-1001.

99. Li, S. Symmetry-protected bound states in the continuum supported by all-dielectric metasurfaces / S. Li, C. Zhou, T. Liu, S. Xiao // Phys. Rev. A. - 2019. - V. 100.

- P.063803.

100. Han, S. Extended Bound States in the Continuum with Symmetry-Broken Terahertz Dielectric Metasurfaces / S. Han, P. Pitchappa, W. Wang, Y.K. Srivastava, M.V. Rybin, R. Singh // Adv. Opt. Mater. - 2021. - V.9. - P.2002001.

101. Fedotov, V. Sharp trappedmode resonances in planar metamaterials with a broken structural symmetry / V. Fedotov, M. Rose, S. Prosvirnin, N. Papasimakis,

N. Zheludev // Physical review letters. - 2007. - V.99. - P.147401.

139

102. Evlyukhin, A.B. Optical theorem and multipole scattering of light by arbitrarily shaped nanoparticles / A.B. Evlyukhin, T. Fischer, C. Reinhardt, B.N. Chichkov // Phys. Rev. B.- 2016. - V.94. - P.205434.

103. Alu, A. Theory of linear chains of metamaterial/plasmonic particles as subdiffraction optical nanotransmission lines / A. Alu, N. Engheta // Phys. Rev. B.- 2006.

- V.74. - P.205436.

104. Evlyukhin, A.B. Polarization switching between electric and magnetic quasi-trapped modes in bianisotropic all-dielectric metasurfaces / A.B. Evlyukhin, M.A. Poleva, A.V. Prokhorov, K.V. Baryshnikova, A.E. Miroshnichenko, B.N. Chichkov // Laser Photonics Rev. - 2021. - V.15. - P.2100206.

105. Potton, R.J. Reciprocity in optics / R.J. Potton // Rep. Prog. Phys.- 2004. -V.67. - P.717.

106. Novoselov, K.S. 2D materials and van der Waals heterostructures / K.S. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho, A.H.C. Neto // Science. - 2016. - V.353.

- P.aac9439.

107. Ermolaev, G.A. Giant optical anisotropy in transition metal dichalcogenides for next-generation photonics / G.A. Ermolaev, D.V. Grudinin, Y.V. Stebunov, K.V. Voronin, V.G. Kravets, J. Duan, A.B. Mazitov, G.I. Tselikov, A. Bylinkin, D.I. Yakubovsky, S.M. Novikov, D.G. Baranov, A.Y. Nikitin, I.A. Kruglov, T. Shegai, P. Alonso-González, A.N. Grigorenko, A.V. Arsenin, K.S. Novoselov & V.S. Volkov// Nat. Commun. - 2021. - V.12. - P.854.

108. Chhowalla, M. The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets / M. Chhowalla, H.S. Shin, G. Eda, L.-J. Li, K.P. Loh, H. Zhang // Nat. Chem. - 2013. - V.5. - P.263-275.

109. Schönfeld, B. Anisotropic mean-square displacements (MSD) in single-crystals of 2H- and 3R-MoS2 / B. Schönfeld, J. Huang, S. Moss // Acta Cryst. B. - 1983.

- V.39. - P.404-407.

110. Ermolaev, G.A. Broadband optical properties of monolayer and bulk MoS2 / G.A. Ermolaev, Y.V. Stebunov, A.A. Vyshnevyy, D.E. Tatarkin, D.I. Yakubovsky,

S.M. Novikov, D.G. Baranov, T. Shegai, A.Y. Nikitin, A.V. Arsenin, V.S. Volkov // npj 2D Materials and Applications. - 2020. - V.4. - P.21.

111. Yoffe, A.D. Layer Compounds / A.D. Yoffe // Annu. Rev. Mater. Sci. - 1973.

- V.3. - P.147-170.

112. Toussaint, K.C. Generation of optical vector beams with a diaaractive optical element interferometer / K. C. Toussaint, S. Park, J. E. Jureller, N. F.Scherer // Opt. Lett.

- 2005. - V.30. - P.2846-2848.

113. Ndagano, B. Characterizing quantum channels with non-separable states of classical light / B. Ndagano, B. Perez-Garcia, F.S. Roux, M. McLaren, C. Rosales-Guzman, Y. Zhang, O. Mouane, R.I. Hernandez-Aranda, T. Konrad, A. Forbes // Nat. Phys. - 2017. - V.13. - P.397-402.

114. Zhao, Z. Metamaterials-based broadband generation of orbital angular momentum carrying vector beams / Z. Zhao, J. Wang, S. Li, A.E. Willner // Opt. Lett. -2013. - V.38. - P.932-934.

115. Chen, Y.F. Observation of spatially coherent polarization vector fields and visualization of vector singularities / Y.F. Chen, T.H. Lu, K.F. Huang // Phys Rev. Lett.

- 2006. - V.96. - P.033901.

116. Rosales-Guzman, C. A review of complex vector light fields and their applications / C. Rosales-Guzman, B. Ndagano, A. Forbes // J. Opt. - 2018. - V.20. -P.123001.

117. Donato, M.G. Optical trapping of nanotubes with cylindrical vector beams / M.G. Donato, S. Vasi, R. Sayed, P.H. Jones, F. Bonaccorso, A.C. Ferrari, P.G. Gucciardi, O.M. Marago // Opt. Lett. - 2012. - V.37. - P.3381-3383.

118. Liu, J. Direct fiber vector eigenmode multiplexing transmission seeded by integrated optical vortex emitters / J. Liu, S.-M. Li, L. Zhu, A.-D. Wang, S. Chen, C. Klitis, C. Du, Q. Mo, M. Sorel, S.-Y. Yu, X.-L Cai, J. Wang // Light Sci. Appl. - 2018.

- V.7. - P.17148.

119. Gubin, M.Y. Formation of nonclassical states of vortex solitons in optical

fibers with quantum dots / M.Y. Gubin, M.G. Gladush, A.Y. Leksin, S.M. Arakelian,

A.V. Prokhorov // Opt. Spectrosc. - 2016. - V.121. - P.729-735.

141

120. Allen, L. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes / L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, J.P. Woerdman // Phys. Rev. A. - 1992. - V.45. - P.8185.

121. Franke-Arnold, S. Advances in optical angular momentum / S. FrankeArnold, L. Allen, M. Padgett // Laser Photon. Rev. - 2008. - V.2. - P.299-313.

122. Yao, A.M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M. Padgett // Adv. Opt. Photon. - 2011. - V.3. - P.161.

123. Gibson, G. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum / G. Gibson, J. Courtial, M. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas'ko, S. Barnett, S. Franke-Arnold // Opt. Express. - 2004. - V. 12. - P.5448.

124. Wang, J. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing / J. Wang, J.Y. Yang, I.M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A.E. Willner // Nat. Photonics. - 2012. - V.6. -P.488-496.

125. Stalder, M. Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters / M. Stalder, M. Schadt // Opt. Lett. - 1996. - V.21(23). -P.1948-1950.

126. Zhan, Q. Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters / M. Stalder, M. Schadt // Adv. Opt. Photon. - 2009. -V.1(1). - P.1-57.

127. Evlyukhin, A.B. Lightweight metasurface mirror of silicon nanospheres / A.B. Evlyukhin, M. Matiushechkina, V.A. Zenin, M. Heurs, B.N. Chichkov // Opt. Mater. Express. - 2020. - V.10. - P.2706-2716.

128. Tuz, V.R. Polarization-independent anapole response of a trimerbased dielectric metasurface / V.R. Tuz, A.B. Evlyukhin // Nanophotonics. - 2021. - V.10. -P.4373-4383.

129. Spagele, C. Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces / C. Spagele, M. Tamagnone, D. Kazakov, M. Ossiander, M. Piccardo, F. Capasso // Nat. Commun. - 2021. - V.12. - P.3787.

130. Ruan, Z. Enhanced Transmission through Periodic Arrays of Subwavelength Holes: The Role of Localized Waveguide Resonances / Z. Ruan, M. Qiu // Phys. Rev. Lett. - 2006. - V.96. - P.233901.

131. Kang, M. Spatial splitting of spin states in subwavelength metallic microstructures via partial conversion of spin-to-orbital angular momentum / M. Kang, J. Chen, B. Gu, Y. Li Luat, T. Vuong, H. Wang // Phys. Rev. A. - 2012. - V.85. -P.035801.

132. Zywietz, U. Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses / U. Zywietz, A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt,

B.N. Chichkov // Nat. Commun. - 2014. - V.5. - P.3402.

133. Evlyukhin, A.B. Optical spectroscopy of single Si nanocylinders with magnetic and electric resonances / A.B. Evlyukhin, R.L. Eriksen, W. Cheng, J. Beermann,

C. Reinhardt, A. Petrov, S. Prorok, M. Eich, B.N. Chichkov, S.I. Bozhevolnyi // Sci. Rep.

- 2014. - V.4. - P.4126.

134. Rybin, M.V. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators / M.V. Rybin, K.L. Koshelev, Z.F. Sadrieva, K.B. Samusev, A.A. Bogdanov, M.F. Limonov, Y.S. Kivshar // Phys. Rev. Lett. - 2017. - V.119. - P.243901.

135. Bonod, N. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics / N. Bonod, Y. Kivshar // C.R. Phys. - 2020. - V.21. - P.425-442.

136. Peng, R. Switchable All-Dielectric Magnetic-Electric Mirror Based on Higher-Order Dipoles/ R. Peng, Q. Zhao, Y. Meng, S. Wen, J. Zhou // Phys. Rev. Appl.

- 2020. - V.13. - P.054031.

137. Ma, Z. All-dielectric reflective half-wave plate metasurface based on the anisotropic excitation of electric and magnetic dipole resonances / Z. Ma, S.M. Hanham, Y. Gong, M. Hong // Opt. Lett. - 2018. - V.43. - P.911-914.

138. Grahn, P. Electromagnetic multipole theory for optical nanomaterials / P. Grahn, A. Shevchenko, M. Kaivola // New J. Phys. - 2012. - V.14. - P.093033.

139. Evlyukhin, A.B. Resonant unidirectional and elastic scattering of surface plasmon polaritons by high refractive index dielectric nanoparticles / A.B. Evlyukhin,

S.I. Bozhevolnyi // Physical Review B. - 2015. - V.92. - P.245419.

143

140. Kretschmann, E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen / E. Kretschmann // Z. Physik. - 1971.

- V.241. - P.313-324.

141. Lu, Q. InSb quantum dots for the mid-infrared spectral range grown on GaAs substrates using metamorphic InAs buffer layers / Q. Lu, Q. Zhuang, A. Marshall, M. Kesaria, R. Beanland, A. Krier // Semicond. Sci. Technol. - 2014. - V.29. - P.075011.

142. Rybchenko, S.I. Conduction-band crossover induced by misfit strain in InSb/GaSb self-assembled quantum dots / S.I. Rybchenko, R. Gupta, K.T. Lai, I.E. Itskevich, S.K. Haywood, V. Tasco, N. Deguffroy, A.N. Baranov, E. Tournié // Physical Review B. - 2007. - V.76. - P.193309.

143. Liu, C. Progress in Antimonide Based III-V Compound Semiconductors and Devices / C. Liu, Y. Li, and Y. Zeng // Engineering. - 2010. - V.2. - P.617-624.

144. Eisaman, M.D. Electromagnetically induced transparency with tunable single-photon pulses / M.D. Eisaman, A. André, F. Massou, M. Fleischhauer, A. S.Zibrov, M.D. Lukin // Nature. - 2005. - V.438. - P.837-841.

145. Purcell E.M. Scattering and Absorption of Light by Nonspherical Dielectric Grains / E.M. Purcell, C.R. Pennypacker // Astrophys. J. - 1973. - V.186. - P.705-714.

146. Gaigalas A.K. Measurement of Scattering and Absorption Cross Sections of Dyed Microspheres / A.K. Gaigalas, S. Choquette, Y.-Z. Zhang // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. - 2013. - V.118. - P.15-28.

147. Weber, W.H. Energy transfer from an excited dye molecule to the surface plasmons of an adjacent metal / W.H. Weber, C.F. Eagen // Optics Letters. - 1979. - V.4.

- №8. - P.236-238.

148. Larkin, I.A. Dipolar emitters at nanoscale proximity of metal surfaces: Giant enhancement of relaxation in microscopic theory / I.A. Larkin, M.I. Stockman, M. Achermann, V.I. Klimov // Physical Review B. - 2004. - V.69. - №12. -P.121403(R).

149. Volkov, V.S. Near-field imaging of organic nanofibers / V.S. Volkov, S.I. Bozhevolnyi, V.G. Bordo, H.G. Rubahn // Journal of microscopy. - 2004. - V.215.

- P.241-244.

150. Volkov, V.S. Near-field characterization of low-loss photonic crystal waveguides / V.S. Volkov, S.I. Bozhevolnyi, P.I. Borel, L.H. Frandsen, M. Kristensen // Physical Review B. - 2005. - V.72. - P.035118.

151. Volkov, V.S. Experimental studies of surface plasmon polariton band gap effect / V.S. Volkov, S.I. Bozhevolnyi, K. Leosson, A. Boltasseva // Journal of microscopy. - 2003. - V.210. - P.324-329.

152. Striebel, M. Absorption and extinction cross sections and photon streamlines in the optical near-field / M. Striebel, J. Wrachtrup, I. Gerhardt // Sci. Rep. - 2017. - V.7.

- P.15420.

153. Bohren, C.F. Absorption and Scattering of Light by Small Particles / C.F. Bohren, D.R. Huffman. - New York: Wiley, 1983. - 544 p.

154. Evlyukhin, A.B. Surface plasmon polariton scattering by finite-size nanoparticles / A.B. Evlyukhin, G. Brucoli, L. Martin-Moreno, S.I. Bozhevolnyi, F.J. Garcia-Vidal // Physical Review B. - 2007. - V.76. - P.075426.

155. Wang, R. InSb nanowire double quantum dots coupled to a superconducting microwave cavity / R. Wang, R.S. Deacon, D. Car, E.P.A.M. Bakkers, K. Ishibashi // Appl. Phys. Lett. - 2016. - V.108. - P.203502.

156. Vadeiko, I. Nonlinear interaction of light with a Bose-Einstein condensate: Methods to generate sub-Poissonian light / I. Vadeiko, A.V. Prokhorov, A.V. Rybin, S.M. Arakelyan // Physical Review A. - 2005. - V.72. - №1. - P.013804.

157. Houmark, J. Comparison of electromagnetically induced transparency schemes in semiconductor quantum dot structures: Impact of many-body interactions / J. Houmark, T.R. Nielsen, J. Mork, A.-P. Jauho // Physical Review B. - 2009. - V.79. -P.115420.

158. Singh, M.R. A study of two-photon florescence in metallic nanoshells / M.R. Singh, P.D. Persaud, S. Yastrebov // Nanotechnology. - 2020. - V.31. - P.265203.

159. Singh, M.R. Dipole-Dipole Interaction in Two-Photon Spectroscopy of Metallic Nanohybrids / M.R. Singh, P.D. Persaud // J. Phys. Chem. C. - 2020. - V.124.

- P.6311-6320.

160. Singh, M.R. Anomalous Dipole-Dipole Interaction in an Ensemble of Quantum Emitters and Metallic Nanoparticle Hybrids / M.R. Singh, K. Black // J. Phys. Chem. C. - 2018. - V.122. - P.26584-26591.

161. Evlyukhin, A.B. Multipole decompositions for directional light scattering /

A.B. Evlyukhin, B.N. Chichkov // Phys. Rev. B. - 2019. - V. 100. - P.125415.

162. Varault, S. Multipolar effects on the dipolar polarizability of magneto-electric antennas / S. Varault, B. Rolly, G. Boudarham, G. Demésy, B. Stout, N. Bonod // Optics express. - 2013. - V.21. - P.16444-16454.

163. Asadchy, V.S. Bianisotropic metasurfaces: physics and applications / V.S. Asadchy, A. Díaz-Rubio, S.A. Tretyakov // Nanophotonics. - 2018. - V.7. - P.1069-1094.

164. Achouri, K. Extension of Lorentz Reciprocity and Poynting Theorems for Spatially Dispersive Media with Quadrupolar Responses / K. Achouri, O.J. Martin // Physical Review B. - 2021. - V.104. - P. 165426.

165. Bobylev, D.A. Nonlocal response of Mie-resonant dielectric particles / D.A. Bobylev, D.A. Smirnova, M.A. Gorlach // Physical Review B. - 2020. - V.102. -P.115110.

166. Evlyukhin, A.B. Multipole light scattering by nonspherical nanoparticles in the discrete dipole approximation / A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, B.N. Chichkov // Physical Review B. - 2011. - V.84. - P.235429.

167. Staude, I. Tailoring directional scattering through magnetic and electric resonances in subwavelength silicon nanodisks / I. Staude, A.E. Miroshnichenko, M. Decker, N.T. Fofang, S. Liu, E. Gonzales, J. Dominguez, T.S. Luk, D.N. Neshev, I. Brener, Y. Kivshar // ACS nano. - 2013. - V.7. - P.7824-7832.

168. Babicheva, V.E. Multipole lattice effects in high refractive indexmetasurfaces / V.E. Babicheva, A.B. Evlyukhin // Journal of Applied Physics. - 2021. - V.129. -P.040902.

169. Evlyukhin, A.B. Multipole analysis of light scattering by arbitrary-shaped nanoparticles on a plane surface / A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, E. Evlyukhin,

B.N. Chichkov // J. Opt. Soc. Am. B. - 2013. - V.30. - P.2589-2598.

146

170. Terekhov, P.D. Multipole analysis of dielectric metasurfaces composed of nonspherical nanoparticles and lattice invisibility effect / P.D. Terekhov, V.E. Babicheva, K.V. Baryshnikova, A.S. Shalin, A. Karabchevsky, A.B. Evlyukhin // Phys. Rev. B. -2019. - V.99. - P.045424.