Admission to PhD's program

RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентификация)— способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиочастотного электромагнитного излучения считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. В настоящее время радиочастотная идентификация используется в платежных системах, биометрических идентификационных документах, логистике и многих других областях. Основной целью данного исследования является разработка RFID-меток нового поколения, которые по эффективности и занимаемой площади превосходят существующие аналоги. Одним из направлений является разработка RFID-меток в виде миниатюрных резонаторов на основе диэлектрических материалов с высоким показателем преломления вместо металлических резонансных антенн, размеры которых не могут быть сильно меньше длины волны излучения в силу фундаментальных ограничений. Такой подход основан на эквивалентности токов проводимости и токов смещения, что с практической точки зрения позволит использовать чрезвычайно мелкие керамические частицы в качестве RFID-меток, обеспечивая высокоэффективную беспроводную связь.

Линзовые антенны широко применяются в радиочастотной технике различного назначения наравне с параболическими зеркальными антеннами благодаря их способности формировать узкий луч диаграммы направленности. При одинаковой площади апертуры линзовые антенны обеспечивают практически тот же уровень коэффициента усиления, что и зеркальные. Однако в ряде случаев применение линзовых антенн имеет неоспоримые преимущества.

Так уникальными свойствами обладают так называемые линзы Люнеберга. Идея сферических линз с неоднородным диэлектрическим заполнением, фокусирующих падающие параллельные лучи в точку на поверхности сферы, принадлежит немецкому математику Рудольфу Люнебергу. В отличие от стандартных тонких линз, имеющих одну оптическую ось, линзы Люнеберга обладают сферической симметрией, что определят их способность работать одновременно по многим направлениям в пространстве. Этой особенностью, в частности, обладают и СВЧ линзы Люнеберга. Для реализации линзы Люнеберга  на  СВЧ  мы предлагаем  применение  искусственного  материала, состоящего из тонких радиальных диэлектрических стержней.

Также нами была выполнена широкополосная печатная антенна с полосой запирания на заданных частотах, выполненная в виде круглой металлической накладки, питаемой копланарным волноводом.

Технология беспроводной передачи энергии начала вызывать большой интерес со стороны промышленности в 2007 году, когда был выпущен первый смартфон и началась революция в области бытовой электроники. В настоящее время технология беспроводной передачи энергии (БПЭ) уже имеет богатую историю исследований и разработок, а также выдающиеся достижения в области коммерциализации.

Наше исследование БПЭ посвящено, главным образом, изучению новых физических явлений и их применению для повышения производительности БПЭ.

В системах БПЭ в качестве ключевых компонентов для связывания полей используются обычные резонаторы с металлической катушкой. В нашем исследовании диэлектрические резонаторы, как аналог металлических, имеют уникальные электромагнитные свойства, обеспечивающие больше функциональных возможностей для БПЭ.

Существуют и другие варианты практического применения, где мощность передается нескольким приемникам на 2D-платформе – мы называем это системой «умный стол». В нашем исследовании метаповерхность используется в качестве платформы для реализации «умного стола». Разные метаповерхности предназначены для улучшения различных функций, например, для увеличения расстояния БПЭ или уменьшения утечек электрического поля.

В настоящее время потребности человечества в вычислительных мощностях переживают экспоненциальный рост, вызванный информационной революцией конца XX – начала XXI века. Одним из подходов к созданию новых энергоэффективных информационно-коммуникационных систем, способных удовлетворить этим растущим требованиям, является концепция нанофотонных устройств (например, оптические чипы), в которых на смену электрическим сигналам приходят оптические. Для разработки таких устройств необходимо создать новые методы локализации и управления световыми полями на основе наноразмерных объектов, а также качественно новые подходы к проектированию и реализации компонентной базы информационно-измерительных и телекоммуникационных систем. Одними из основных требований к таким устройствам являются компактные размеры и энергоэффективность, что предполагает использование слабоинтенсивных оптических сигналов для передачи информации и сред с низкими потерями в используемом частотном диапазоне.   Как правило, в таких перспективных системах в качестве источников оптического излучения предполагается использовать наноразмерные объекты. 

Исследование направлено на решение научной проблемы, связанной с разработкой и развитием оптических элементов предназначенных для управления электромагнитным полем в нанофтонных структурах. Объединение диэлектрической наноантенны и оптического излучателя является наиболее перспективным с точки зрения усиления оптических эффектов за счет электрических и магнитных Ми-резонансов. 

Направление предполагает теоретическое и экспериментальное исследование класса диэлектрических наноантенн на основе нанаолмаза с интегрированными центрами азот-вакансия (NV). Исследуются наноалмазы, как с несколькими NV-центрами для усиления Парселл фактора и контроля диаграммы направленности, так и с одиночными NV-центрами.

Последняя конфигурация называется источником одиночных фотонов. Изучение таких источников одиночных фотонов проводится с помощью экспериментальных методик время-разрешенной конфокальной микроскопии с конфигурацией интерферометра Брауна и Твисса, измеряя время жизни фотона и автокорреляционную функцию для подтверждения того, что объект испустил один фотон.

Электромагнитными метаповерхностями принято называть двумерно-периодические структуры с периодом и размерами элементарных ячеек много меньшими длины волны. С их помощью можно получить произвольное распределение электромагнитного поля посредством настройки свойств элементарных ячеек данных структур на микроуровне. Недавно были предложены метаповерхности особого типа, которые могут выполнять функции по управлению волнами, не вызывая их отражения. Такие структуры получили название поверхностей Гюйгенса, так как каждая их элементрная ячейка при взаимодействии с волной ведет себя как элемент Гюйгенса (рассеивает только вперед). Однако, ввиду значительных технологических трудностей, большинство успешных реализаций поверхностей Гюйгенса продемонстрировано лишь в СВЧ диапазоне. Фундаментальной проблемой является построение неотражающих метаповерхостей в ТГц и субмиллиметровом диапазонах в рамках существующих методов производства тонких по сравнению с длиной волны двумерно-периодических структур. Мы предлагаем практическую реализацию, основанную на каскадировании нескольких частотно-селективных структур, элементарные ячейки которых изготовлены методом фотолитографии на тонких полимерных подложках с низкими потерями. Предложенные практические реализации метаповерхностей Гюйгенса лягут в основу компонентной базы квазиоптических устройств ТГц и субмиллиметрового диапазонов.

Синтез и исследование оптических свойств наночастиц метал-органических каркасов

За прошедшее десятилетие исследования электромагнитных метаповерхностей быстро развивались и нашли применение во множестве сфер от микроволн до оптики. В общем случае метаповерхности воспринимаются как двумерные (2D) массивы электромагнитных рассеивателей, размер и расстояние которых значительно меньше рабочей длины волны. Они могут быть аппроксимированы как комбинация гладких электрических и магнитных поверхностных плотностей тока, представляющих усредненные отклики дискретных элементарных ячеек относительно падающей волны. Свойства конкретной метаповерхности обусловлены микроструктурой ее элементарной ячейки, которая определяет как индуцированные поверхностные токи, так и, как следствие, поле рассеяния. За последние годы путем правильного проектирования элементарной ячейки было предложено много функциональных возможностей для метаповерхностей, начиная от частотно-избирательной поверхности и заканчивая динамически перестраиваемыми и безотражательными фазовыми голограммами. На нашем факультете мы исследуем электромагнитные свойства электромагнитных метаповерхностей в микроволновом диапазоне, используя оборудование нашей безэховой камеры. Наше исследование включает измерения ближнего и дальнего полей, коэффициентов отражения и передачи в диапазоне частот от 1 МГц до 20 ГГц. Мы изучали метаповерхности для преобразования поляризации, маршрутизации поверхностных волн, поверхностей Гюйгенса, совершенных поглотителей, частотно-избирательных поверхностей и т.д.

Микрофлюидика представляет собой отрасль науки, изучающую малые объемы жидкостей и способы манипуляции ею. Масштабы микрофлюидных устройств исчисляются в микро- и нанометрах, что отражается на поведении известных жидкостей. Так, для микрофлюидики становятся существенными параметры вязкости, поверхностное натяжение и число Рейнольдса (и не только). Само микрофлюидное устройство – микрофлюидный чип (МФЧ) – может быть выполнено из различных материалов (стекла,кремниевых плстин и т.д.), однако чаще всего используется полидиметилсилоксан (ПДМС), в силу множества факторов. В этом случае МФЧ изготавливается методом «мягкой литографии» и последующей герметизацией со стеклянной подложкой.

В рамках микрофлюидики можно выделить концепцию "Лаборатория на чипе", которая позволяет интегрировать все стадии биохимического анализа в едином устройстве. "Лаборатория на чипе" умещается на МФЧ, на котором могут быть реализованы стадии от пробоподготовки, выделения, сортировки до разновидного анализа биологической пробы. Преимуществами использования МФЧ являются снижение расхода реагентов, уменьшение времени и стоимости анализа, повышение чувствительности системы детектирования. В настоящее время, ряд компаний уже берет на вооружение современные разработки в области микрофлюидики, что позволяет выпускать на рынок приборы и тест системы, обладающие уникальными возможностями, высокой производительностью и низкой стоимостью одного анализа.

МРТ на сегодняшний день является перспективным инструментом медицинской визуализации, благодаря высокой информативности и точности получения данных. Мы работаем с клиническими специалистами над проектами, посвященными использованию устройств на основе новых материалов и нейросетевых алгоритмов для скрининга рака, оценки функции сердца и диагностике артроза сложных суставов. Мы работаем над прогнозированием развития сколиоза, функциональными исследованиям мозга человека, обследованием периферической нервной системы и энергетических процессов в мышечной ткани. Мы разрабатываем новые методы реконструкции изображений и сбора данных, стремясь сделать МРТ сканирование еще быстрее, безопаснее и точнее. Наши физики исследуют способы применения метаматериалов, метаповерхностей и специальных керамик в качестве новых, более эффективных приёмо-передающих антенн в МРТ, изучают и сверхвысокодобротные, и сверхширокополосные, и меняющиеся во времени, и практически невидимые устройства с точки зрения их применения для расширения возможностей томографии. Мы разрабатываем новые типы экранов, новые искусственные материалы, а также новые импульсные последовательности и методики сканирования. Инженеры нашей группы создают устройства для сверхбыстрого сканирования, для одновременного сканирования различных атомов, для фокусировки МРТ на отдельных анатомических областях или органах, для подавления электрического и акустического шума и для осуществления полностью беспроводной передачи данных в МРТ.

Мы делаем МРТ лучше.

Нами последовательно развиваются методы конфигурирования рассеяния и мультипольного спектра наночастиц, исследуются эффекты наведенной бианизотропии в системе наночастиц с высоким показателем преломления, усиления их магнитных моментов, а также различные способы концентрации и усиления магнитного поля на наномасштабах. На основе подобных систем предполагается, например, разрабатывать метаповерхности для Оптических, голографических и фотовольтаических приложений. 

Помимо этого, большое значение данное исследование имеет и для оптомеханики. Действительно, учет мультиполей высших порядков в спектре рассеяния наночастиц, включая магнитные, необходим для эффективной манипуляции последними. Ранее было показано, что магнето-диэлектрические частицы могут вести себя во внешнем поле совершенно иначе, нежели объекты, обладающие только электрическим откликом. Также, контролируемое возбуждение мультиполей в нанообъекте позволяет конфигурировать его диаграмму направленности и, соответственно, действующие на него оптические силы. Таким образом может быть реализовано движение частицы навстречу лучу («луч притяжения»), ускорение вдоль пучка, боковое движение, зависание (левитация) и т.д.

Исследование взаимодействия когерентного излучения видимого и ИК диапазонов с 2D и 3D метал-органическими каркасами

Нелинейная оптомеханика представляет собой новое и слабоисследованное направление в современной физике. Это направление  посвящено исследованию нелинейных эффектов на наномасштабах, обусловленных оптомеханическим движением нанообъектов, а также разработке новых методов перемещения наночастиц за счет нелинейных волн. В данном случае, учет возможных нелинейностей необходим, если для манипуляции наночастицами используется высокоинтенсивное импульсное излучение. В таком режиме средняя мощность, требуемая для удержания нанообъекта оказывается меньше, нежели в случае непрерывного излучения, что соответственно уменьшает нагрев, однако пиковая интенсивность достаточна для реализации нелинейных эффектов как в самих наночастицах, так и в окружении, особенно, если в системе использованы плазмонные материалы. При этом могут реализовываться новые фундаментальные явления, например, распад на два центра захвата оптической ловушки на основе фемтосекундного лазера, образование спиральных аттракторов на базе векторных солитонов и т.п. Таким образом, данная область находится на начальном этапе своего развития и представляет как существенный  фундаментальный, так и прикладной интерес.

Метод оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) представляет собой комбинацию электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и  фотолюминесценции (ФЛ). С момента своего первого применения для возбужденного состояния атомов ртути в 1952 году методика ОДМР широко применялась для исследования возбужденных состояний твердых тел, в частности, для получения детальной микроскопической информации о дефектах, а также процессов рекомбинации в полупроводниках. С недавними быстрыми изменениями в полупроводниковых тонких пленках и наноструктурах методика ОДМР привлекла все большее внимание, поскольку традиционная техника ЭПР не справилась с задачей значительно уменьшающегося числа спинов в новых материалах.

Метод ОДМР может быть применен для локального высокоточного измерения температуры, определения постоянных и переменных электромагнитных полей с помощью дефектов в алмазах, например NV-центров, и в последствие построение на основе этих дефектов различных датчиков и устройств.

В настоящее время ведется ряд проектов, посвященных исследованию поведения наночастиц в ближних полях наноструктур, например, метаматериалов и метаповерхностей, что позволяет практически произвольным образом конфигурировать траекторию нанообъектов. С другой стороны, исследование поведения наночастиц на подложке позволило разработать «луч притяжения», создаваемый однонаправленным плазмоном, возбуждаемым наклонно падающей волной. Отдельно следует отметить поведение оптически связанного димера из различных наночастиц в поле плоской волны: в этом случае наночастица меньшего размера и массы может управлять движением более крупного и массивного объекта, не испытывая при этом обратной силы. При этом 3-й закон Ньютона выполняется, если учесть обратное влияние поля. Таким образом, спектр актуальных задач нанооптомеханики весьма широк, а исследования, посвященные данному направлению, в настоящее время находятся на стадии бурного развития.

Наша цель - разработать новую платформу для современных нанофотонных устройств. Галоидные перовскиты (материалы со структурой ABX3, где X - это хлор, бром или йод) демонстрируют уникальные оптические свойства: высокий показатель преломления и экситоны при комнатной температуре с достаточно высокими энергиями связи и высоким квантовым выходом люминесценции, что делает их перспективными для использования в различных задачах нанофотоники. Более того, галоидные перовскиты одни из самых перспективных материалов для фотовольтаики и оптоэлектроники. В связи с этим, мы проводим исследования по следующим направлениям:

1) Микро- и нанолазеры 

2) Наноразмерные перестраиваемые источники излучения

3) Улучшенные наноструктурированные солнечные элементы и светодиоды

Резонанс Фано возникает при слабом взаимодействии высокодобротного резонансного состояния с другими низкодобротными модами. Асимметричный профиль Фано характеризуется резким скачком интенсивности между максимумом и минимумом с нулевой интенсивностью спектра, что находит применение в сенсорике, а также для подавления рассеяния.

При определенных условиях добротность резонанса может устремиться к бесконечности, позволяя задерживать свет в так называемом связанном состоянии в континууме. Строго говоря, связанные истинные состояния в континууме могут существовать лишь в бесконечно протяженных объектах без поглощения, однако в реальных образцах наблюдаются в виде высокодобротных суперрезонансных мод, имеющих аналогичную природу. Изучение связанных состояний в континууме открывает широкие возможности для управления светом и усиления взаимодействия света с веществом для применения в лазерах и сенсорах, для генерации высших гармоник и др.

Топология как раздел математики изучает свойства объектов, остающиеся неизменными при непрерывных деформациях. Однако, несмотря на свою абстрактность, топология имеет прямое отношение к физике, позволяя объяснить строгое квантование холловского сопротивления в квантовом эффекте Холла, существующее даже при наличии дефектов и примесей, явление аномальной скорости, а также ряд других эффектов. Важность открытия топологических фаз материи и топологических фазовых переходов была отмечена Нобелевской премией по физике 2016 года.

Топологическая фотоника изучает возможности реализации состояний света, защищенных от рассеяния на дефектах и неоднородностях структуры и перспективных с точки зрения создания устойчивых к беспорядку устройств для полностью оптической обработки информации. Наша группа в ИТМО исследует топологические состояния классического и квантового света, развивая как фундаментальные, так и прикладные концепции.

В настоящее время основной тренд развития фотонных устройств – их миниатюризация. Одним из наиболее перспективных технологических направлений в этом тренде является трехмерная лазерная литография (3D-ЛЛ), которая в иностранной литературе имеет названия «direct laser writing» или «two photon polymerisation». Основанная на резонансном двухфотонном поглощении и последующей полимеризации фоторезистивного материала, технология 3D-ЛЛ позволяет создавать трехмерные объекты с разрешением до 100 нанометров.

Основная задача, этого научного направления - это создание уникальных двумерных и трехмерных субмикронных структур и их дальнейшие спектральные исследования.

Научное направление, развиваемое в лабораториях Физико-Технического Факультета, посвящено прежде всего изучению собственных поверхностных состояний метаповерхностей -- управлению дисперсией этих двумерных оптических волн, их направленному и селективному возбуждению.

Метаповерхности приобретают дополнительные функциональные возможности за счет их интеграции с двумерными материалами, такими как графен или дихалькогениды переходных металлов (TMDC). Реализация сильной связи экситона (водородоподобной связанной электрон-дырочной пары) в двумерном материале с оптическими модами метаповерхности приводит к образованию особых квазичастиц - экситон-поляритонов. Изменение геометрических и материальных параметров метаповерхности позволяет управлять пространственной дисперсией поляритонов. В свою очередь экситонная составляющая образующихся в такой системе квазичастиц приводит к гиганским нелинейным эффектам.

Понимание свойств метаматериалов открывает самые широкие возможности для создания уникальных оптических устройств. При этом вопрос о том, как фотонная структура приобретает метаматериальные свойства, имеет большое фундаментальное и прикладное значение. Оказалось, что при непрерывном изменении геометрических и структурных параметров, начиная с некоторого критического значения, в периодической фотонной структуре помимо фотоннокристаллических эффектов появляется режим метаматериала. Т.е. в оптическом отклике фотонной структуры наблюдается резкий переход, и это явление получило название фотонного фазового перехода.

На физико-техническом факультете мы исследуем условия появления фазы метаматериала в разных фотонных структурах. Изучение фотонных фазовых переходов включает дизайн, разработку и создание структур с желаемыми материальными параметрами, применение пространственно-однородных мод, наблюдающихся при около-нулевым значении коэффициента преломления метаматериалов, построение фотонных фазовых диаграмм и много других интересных теоретических и экспериментальных задач, решение которых является важной составной частью метафотоники.

В последнее десятилетие был открыт новый удивительный класс материалов, представляющих собой пленки атомарной ширины. Исторически, первым из таких материалов был открыт графен, монослой (слой толщиной всего в один атом) атомов углерода. Открытие графена было удостоено Нобелевской премии в 2010 году. Несмотря на множество удивительных и полезных свойств графена, он обладает довольно слабым электромагнитным откликом в оптическом диапазоне. Напротив, следующее поколение двумерных материалов, к которому относятся монослои дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), характеризуются резонансным оптическим откликом в диапазоне длин волн 600-800 нм. В рамках данного научного направления мы исследуем транспортные и оптические свойства  ДПМ, a также других систем пониженной размерности, таких как полупроводниковые квантовые ямы и квантовые проволоки и системы углеродных нанотрубок. 

Исследования носят как фундаментальный так и прикладной характер и могут быть использованы для создания нового класса интегрированных на чипе оптических когерентных источников и сверхбыстрых модуляторов оптических сигналов, а также оптически управляемых элементов спинтроники.

В настоящее время эффективность большинства лекарственных препаратов частично ограничена тем, что биологически активные соединения воздействуют на организм в целом, а не только на те клетки и ткани, для которых предназначался препарат. Решить данную проблему возможно путем разработки и создания систем доставки лекарственных препаратов, которые смогут обеспечить точное попадание требуемого вещества в ту область организма, и в те клетки, где он действительно необходим. Такой подход позволит не только повысить эффективность лечения, но и избежать нежелательных побочных эффектов. Это в свою очередь сделает возможным применение ряда потенциально высокоэффективных лекарственных препаратов, которые не использовались в клинике ввиду плохого биораспределения или специфических побочных эффектов.

В область наших научных интересов входит разработка систем доставки направленных на лечение онкологических заболеваний, генную терапию, создание систем с контролируемым высвобождением лекарственных препаратов, а также диагностических систем для компьютерной и магнитно-резонансной томографии.