| Название: | Оптомеханическая нелинейность и неустойчивость в полупроводниковых наносистемах |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-204 - Нано- и микроструктуры |
| Ключевые слова: | оптомеханика, полупроводники, микрорезонаторы, экситоны, поляритоны, квантовые ямы, графен, двумерные полупроводники |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Пошакинский,АВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 19-72-00080 |
Аннотация
Проект направлен на теоретическое описание нелинейного оптомеханического взаимодействия в полупроводниковых наносистемах, а также поиск и изучение обусловленных ею новых эффектов: оптомеханической бистабильности и неустойчивости, невзаимного транспорта света и звука.
Оптомеханика - области физики, находящаяся на стыке квантовой механики и электродинамики, переживает в настоящий момент период бурного развития. Фундаментальные идеи оптомеханики уже применяются в самых разных устройствах: от километровых детекторов гравитационных волн до оптических пинцетов, разработка которых была отмечена Нобелевскими премиями по физике 2017 и 2018 года, соответственно. Оптомеханическое взаимодействие по свой сути является нелинейным, поскольку сила давления света, лежащая в основе оптомеханических эффектов, пропорциональна квадрату амплитуды поля электромагнитной волны. Однако при теоретическом описании взаимодействие часто линеаризуют вблизи некоторого стационарного состояния оптомеханической системы. Переход от макроскопических устройств к полупроводниковым наносистемам открывает возможность усиления акустооптического взаимодействия за счет квантования механических и оптических мод, а также наличия материальных резонансов, таких как экситонный резонанс или плазмонный резонанс. При этом происходит усиление роли нелинейности и можно ожидать возникновения качественно новых оптомеханических эффектов. К настоящему времени последовательная теория нелинейных оптомеханических эффектов развита лишь для диэлектрических оптомеханических резонаторов. В полупроводниковых наноструктурах важное значение приобретают эффекты дисперсии диэлектрической проницаемости, обусловленные материальными резонансами. В ходе проекта будет развита последовательная теория, описывающая нелинейное резонансное оптомеханическое взаимодействие. Предполагается вести исследования по следующим направлениям:
1.Описание взаимодействующих экситонов, света и звука, распространяющихся вдоль оси роста в периодических структурах со многими квантовыми ямами при их возбуждении интенсивным лазером с частотой, близкой к экситонному резонансу. Исследование возникающих в системе бистабильности и неустойчивостей.
2. Описание взаимодействующих экситонов, света и звука, распространяющихся в плоскости планарной структуры, являющейся резонатором одновременно для света и звука. Описание формирования гибридных мод -- фоноритонов. Исследование эффектов невзаимности и неустойчивости для фоноритонов.
3. Описание взаимодействия света с механическими колебаниями двумерной мембраны с учетом дисперсии ее диэлектрической проницаемости. Будет изучено, как меняются механические свойства мембраны при ее возбуждении электромагнитным излучением, исследовано возникновение модуляционных неустойчивостей.
Ожидаемые результаты
В ходе работы по проекту будут получены следующие результаты:
1. Будут получены и решены численно нелинейные уравнения, описывающие динамику взаимодействующих экситонов, света и звука, распространяющихся вдоль оси роста в периодических структурах со многими квантовыми ямами. Будут рассчитаны устойчивые стационарные состояния системы при ее возбуждении с частотой ниже экситонного резонанса, установлены форма и скорость кинка на границе между стационарными состояниями. Будет определен диапазон волновых векторов, в котором развивается неустойчивость при возбуждении с частотой выше экситонного резонанса.
2. Будет описана динамика гибридных фоноритонных мод, являющихся смесью фонона, фотона и поляритона и распространяющихся в плоскости планарной структуры с квантовой ямой, являющейся резонатором одновременно для света и звука, при ее возбуждении лазером с частотой, близкой к экситонному резонансу. Будет рассчитана дисперсия фоноритонов при наклонном возбуждении плоской волной и исследована фоноритонная невзаимность. Также будут рассчитаны энергии и затухания локализованных фоноритонных состояний при возбуждении структуры сфокусированным пучком света.
3. Будет рассчитана поправка к силе натяжения и упругой константе двумерной мембраны, возникающая при падении на нее электромагнитной волны. Будет оценена интенсивность света, необходимая для возникновения в мембране модуляционной неустойчивости и ее перехода в скомканное состояние. Также будут вычислены оптомеханические поправки к частотам и затуханиям продольных и изгибных колебаний, проанализирована акустическая невзаимность при наклонном падении света.
Полученные результаты будут новыми, соответствовать мировому уровню исследований и внесут существенный вклад в развитие полупроводниковой оптомеханики. Выполненные исследования позволят получить информацию о механизмах взаимодействия света с колебаниями в наноструктурах, выявить роль нелинейности и обусловленных ею эффектов. Развитая теория заложит фундаментальную базу для создания новых оптомеханических устройств: детекторов механических смещений и колебаний, акустических и оптических диодов, генераторов и маршрутизаторов акустических и оптических сигналов, бистабильных логических элементов.
