Полупроводниковая резонансная нано- и термофотоника
В последние годы резонансные полупроводниковые частицы нашли свое применение в различных областях нанофотоники: начиная с высокоточных сенсорных устройств и наноантенн и заканчивая нанотермометрией и платформами для контролируемой доставки лекарственных препаратов к пораженным клеткам. Оказалось, что наноструктуры, поддерживающие оптические резонансы, очень полезны в задачах взаимодействия со светом, поскольку они могут направлять и усиливать падающее излучение. Например, было показано, что такие полупроводниковые структуры могут эффективно нагреваться лазерным пучком и, кроме того, во время этого процесса их температуру можно точно контролировать на наномасштабе с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света. Исследования в этой области имеют фундаментальное значение, поскольку существуют потенциальные приложения исследуемых технологий в биомедицине, оптоэлектронике, устройствах детектирования.
В нашей группе мы проводим как теоретические, так и экспериментальные исследования резонансных структур. Наши исследования включают численный расчет собственных мод оптических резонаторов и их добротностей, моделирование электромагнитных задач и оптимизацию параметров для экспериментальных задач. В лаборатории мы используем современное оборудование, которое позволяет получать точные результаты и сравнивать их с теоретическими моделями.
Наши основные задачи:
1. Усиление Рамановского излучения
Поскольку Рамановское излучение является мощным инструментом для анализа оптических структур, нанотермометрии, зондирования и некоторых других приложений, мы разрабатываем методы эффективного усиления сигнала за счет создания объектов с высокодобротными резонансами Ми [1].
2. Оптический нагрев
Диэлектрические наночастицы показали способность эффективно нагреваться под воздействием лазерного излучения [2]. Интеграция таких частиц с оптимизированными резонансными свойствами в специальные полимерные капсулы делает возможной контролируемую доставку лекарств [3, 4]. Более того, нагревая нанообъекты, мы получаем сильный оптический отклик материала, который можно использовать для управления характеристиками металинз, изменения направленности наноантенн и т. д.
3. Рамановская нанотермометрия
Точность современного оборудования позволяет использовать Рамановскую спектроскопию [2] для измерения температуры на наномасштабе! Локальный контроль температуры необходим во многих экспериментальных задачах, так как крайне важно сохранять структуру и оптические свойства образцов. В наших работах нам удалось оценить критическую температуру разрушения полимерных капсул с лекарствами внутри живых клеток, что крайне важно для применения данного метода в биомедицине [3].
Публикации:
[1] George P. Zograf, Daniil Ryabov, Viktoria Rutckaia, Pavel Voroshilov, Pavel Tonkaev, Dmitry V. Permyakov, Yuri Kivshar, and Sergey V. Makarov “Stimulated Raman Scattering from Mie-Resonant Subwavelength Nanoparticles” Nano Lett. 2020, 20, 8, 5786–5791
[2] George P. Zograf, Mihail I. Petrov, Dmitry A. Zuev, Pavel A. Dmitriev, Valentin A. Milichko, Sergey V. Makarov, and Pavel A. Belov “Resonant Nonplasmonic Nanoparticles for Efficient Temperature-Feedback Optical Heating” Nano Lett. 2017, 17, 5, 2945–2952
[3] Zograf, G. P., Timin, A. S., Muslimov, A. R., Shishkin, I. I., Nominé, A., Ghanbaja, J., Ghosh, P., Li, Q., Zyuzin, M. V., Makarov, S. V., “All Optical Nanoscale Heating and Thermometry with Resonant Dielectric Nanoparticles for Controllable Drug Release in Living Cells” Laser & Photonics Reviews 2020, 14, 1900082.
[4] Milichko, V. A., Zuev, D. A., Baranov, D. G., Zograf, G. P., Volodina, K., Krasilin, A. A., Mukhin, I. S., Dmitriev, P. A., Vinogradov, V. V., Makarov, S. V., Belov, P. A. “Metal-Dielectric Nanocavity for Real-Time Tracing Molecular Events with Temperature Feedback, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1700227.
[5] Makarov S.V., Petrov M.I., Zywietz U., Milichko V.A., Zuev D.A., Lopanitsyna N., Kuksin A., Mukhin I.S., Zograf G.P., Ubyivovk E.V., Smirnova D.A., Starikov S.V., Chichkov B.N., Kivshar Y.A. "Efficient Second-Harmonic Generation in Nanocrystalline Silicon Nanoparticle" // Nano Letters - 2017, Vol. 17, No. 5, pp. 3047–3053
[6] SV Makarov, IS Sinev, VA Milichko, FE Komissarenko, DA Zuev, et al. "Nanoscale generation of white light for ultrabroadband nanospectroscopy" Nano Letters 18 (1), 535-539 (2018)
[7] Makarov S.V., Kudryashov S.I., Mukhin I.S., Mozharov A.M., Milichko V.A., Krasnok A.E., Belov P.A. Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron-Hole // Nano Letters - 2015, Vol. 15, No. 9, pp. 6187-6192
[8] Zuev D.A., Makarov S.V., Mukhin I.S., Milichko V.A., Starikov S.V., Morozov I.A., Shishkin I.I., Krasnok A.E., Belov P.A. Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation // Advanced materials - 2016, Vol. 28, No. 16, pp. 3087-3093