Экстремальная оптическая хиральность металлических и полупроводниковых наноструктур

В 2014 г. в Институте кристаллографии были созданы массивы хиральных наноотверстий в серебре, продемонстрировавшие экстремальное оптическое вращение (ОВ) и круговой дихроизм (КД). Теоретический анализ показал, что наблюдаемые сложные спектры ОВ и КД фундаментально связаны обобщенными соотношениями Крамерса-Кронига. Для реконструкции формы хиральных наноструктур был разработан алгоритм пост-обработки данных атомно-силовой микроскопии наклонным зондом в разных направлениях с объединением наиболее качественных участков нескольких изображений, который позволил создать трехмерные модели элементарных ячеек экспериментальных образцов. По результатам проведенного численного моделирования оптических свойств была предложена аналитическая теория связанных мод, точно воспроизводящая наблюдаемые спектры ОВ и КД. Модель объяснила возникновение экстремальной оптической хиральности плазмонными резонансами наноотверстий и вызванным ими хиральным резонансом пропускания типа Фано. Аналогичные подходы были применены к созданной в 2017 г. метаповерхности на основе кремниевой пленки с хиральным нанорельефом и позволили объяснить наблюдаемое в ней сочетание высокой оптической хиральности с хорошей прозрачностью как следствие хирального возбуждения высокодобротных волноводных резонансов.

 M.V. Gorkunov, V.E. Dmitrienko, A.A. Ezhov, V.V. Artemov, O.Y. Rogov. Implications of the causality principle for ultra chiral metamaterials. // Scientific Reports, 2015. V. 5. P. 9273.

A.V. Kondratov, M.V. Gorkunov, A.N. Darinskii, R.V. Gainutdinov, O.Y. Rogov, A.A. Ezhov, V.V. Artemov. Extreme optical chirality of plasmonic nanohole arrays due to chiral Fano resonance. // Physical Review B, 2016.V. 93. P. 195418.

A.V. Kondratov, O.Y. Rogov, R.V. Gainutdinov. AFM reconstruction of complex-shaped chiral plasmonic nanostructuresJ. Opt. Soc. Am. // Ultramicroscopy, 2017.  V. 181. P. 81-85.

M.V. Gorkunov, A.N. Darinskii, A.V. Kondratov. Enhanced sensing of molecular optical activity with plasmonic nanohole arrays. // JOSA All Issues – OSA, 2017. B. 34. P. 315-320.

M.V. Gorkunov, O.Y. Rogov, A.V. Kondratov, V.V. Artemov, R.V. Gainutdinov, A.A. Ezhov. Chiral visible light metasurface patterned in monocrystalline silicon by focused ion beam. // Scientific Reports, 2018.

Неколлинеарный магнетизм сверхпроводника RhGe

Из квантовомеханических расчётов ab initio показано, что распределение локальных магнитных моментов вокруг атомов родия и кремния в кристаллах магнитного сверхпроводника RhGe имеет сильно неколлинеарный характер. Это является результатом спин-орбитального взаимодействия Дзялошинского-Мории и несимморфного характера пространственной группы. Найдено также, что атомы родия и германия имеют очень малый средний магнитный момент, но существенный магнитный квадрупольный момент и тороидный момент.

 A.V. Tsvyashchenko, V.A. Sidorov, A.E. Petrova, L.N. Fomicheva, I.P. Zibrov, V.E. Dmitrienko. Superconductivity and Magnetism in Noncentrosymmetric RhGe. // Journal of Alloys and Compounds, 2016.

Возникновение электрической поляризации в мультиферроике 2-го типа Cu2OSeO3

Среди мультиферроиков 2-го типа особое место занимает кристалл Cu ₂ OSeO ₃ , магнитная структура которого имеет необычные свойства благодаря отсутствию центра инверсии. В работе показано, что спиновая неколлинеарность, вызванная спиновыми скосами, может приводить к возникновению в данном кристалле электрической поляризации, зависящей от намагниченности и её пространственных производных. Полученная информация открывает возможности управления магнитной структурой Cu ₂ OSeO ₃ при помощи электрического поля.

 V.A. Chizhikov, V.E. Dmitrienko. Antiferromagnetic spin cantings as a driving force of ferroelectricity in multiferroic Cu2OSeO3. //  Journal of Physics: Condensed Matter, 2017.

Скрытый магнитный порядок в кристалле URu₂Si₂ и стрела времени
Вопреки интуитивному представлению о времени, как о течении направленном из прошлого в будущее, большинство физических законов записаны уравнениями симметричными относительно направления времени. Тем интереснее обнаруживать в природе явления, связанные с нарушениями временной симметрии. Многие десятилетия не утихают споры вокруг магнитного фазового перехода в кристалле URu₂Si₂, для которого не удаётся определить параметр порядка. Нами высказано смелое предположение, что данный переход являет собой тот редкий (если не уникальный) случай в физике твёрдого тела, когда фазовое превращение проходит без изменения пространственной симметрии кристалла, но с нарушением симметрии относительно обращения времени. Положение ещё более усложняется тем, что атомы урана, вокруг которых и возникает распределение намагниченности, расположены в высокосимметричных позициях 4/mmm. Вследствие этого разрешённая магнитная конфигурация имеет вид антитороидных вихрей с нулевыми дипольным, квадрупольным, октупольным и тороидным моментами, приводя к трудности экспериментального наблюдения подобного скрытого магнитного порядка в URu₂Si₂.

V.E. Dmitrienko, V.A. Chizhikov. The hidden order in URu2Si2: Symmetry-induced anti-toroidal vortices. // Physical Review Journals, 2018.

Молекулярная теория жидкокристаллического упорядочения в диблок сополимерах типа стержень-клубок

Диблок-сополимеры стержень-клубок состоят из макромолекул, имеющих гибкие и жёсткие фрагменты. Для последних характерен ориентационный порядок в фазах с регулярной микронеоднородностью (ламеллярная, гексагональная и т.п.). С фундаментальной точки зрения такие системы интересны сочетанием свойств жидких кристаллов и блок-сополимеров, а с практической – перспективными применениями в фотоэлектрических элементах, светодиодах и высокопрочных композитах. Нами предложена молекулярно-статистическая теория диблок сополимеров стержень-клубок. Минимизация свободной энергии, выраженной в виде функционала статистического распределения стержней и клубков позволила найти фазовые диаграммы и значения ориентационных и трансляционных параметров порядка.

  M.A. Osipov, M.V. Gorkunov. Molecular theory of liquid-crystal ordering in rod-coil diblock copolymers. // Physical Review, 2019. E. V. 100 P. 042701.

Метаповерхности с максимальной хиральностью, обусловленной связанными состояниями в континууме

Предложены хиральные метаповерхности — планарные массивы субволновых элементов с нарушенной зеркальной симметрией — обладающие беспрецедентно высокой оптической хиральностью. Если нулевая оптическая хиральность приписывается ахиральным объектам, которые идентично взаимодействуют со светом обеих круговых поляризаций, максимально хиральными являются структуры, не взаимодействующие с одной круговой поляризацией и максимально сильно взаимодействующие с противоположной. Нами впервые продемонстрирована перспективность использования связанных состояний в континууме (ССК) диэлектрических метаповерхностей для максимизации оптической хиральности. Исходя из феноменологической теории связанных мод, выяснены общие свойства хиральных ССК-резонансов, способных обеспечить узкие пики единичной высоты в спектрах кругового дихроизма. Предложена конкретная реализация максимально хиральных метаповерхностей на основе массивов пар диэлектрических стержней и представлена пошаговая схема, позволяющая трансформировать идеальные изолированные от света ССК в хиральные квази-ССК, обладающие исключительной хиральной селективностью взаимодействия со световыми волнами.

M.V. Gorkunov, A.A. Antonov, Y.S. Kivshar. Metasurfaces with Maximum Chirality Empowered by Bound States in the Continuum. // Physical Review E, 2020. V. 125. P. 093903.

Коалесценция изотропных капель в перегретых свободно подвешенных смектических пленках

Проведено теоретическое исследование чрезвычайно редкого явления взаимодействия и коалесценции (слияния) изотропных капель в перегретых свободно подвешенных смектических плёнках. Основные вклады в критическую работу слияния капель обусловлены выигрышем в энергии, связанным с уменьшением поверхностной энергии сливающихся капель, которому противодействует энтропийное отталкивание элементарных ступеней на смектической границе между ними. Были вычислены критическая работа коалесценции капель и соответствующий энергетический барьер. Вероятность термической активации процесса коалесценции пренебрежимо мала, что указывает на то, что слияние капель может быть инициировано только внешним раздражителем. Рассчитанная эволюция во времени высоты горлышка между сливающимися каплями и высоты их бокового размера находится в хорошем согласии с экспериментами.

 E.S. Pikina, B.I. Ostrovskii, S.A. Pikin. Coalescence of isotropic droplets in overheated free standing smectic films. // Soft Matter, 2020.

Особенности сверхбыстрой переполяризации поликристаллических пленок сегнетоэлектрических твердых растворов Pb(Zr₁-_xTi_x)O₃

Выяснение условий докритического роста сегнетоэлектрических доменов относится к актуальным дискусионным вопросам физики сегнетоэлектриков. Важность понимания механизма этого явления обусловлена сложностью чисто термофлуктуационного зарождения зародышей переполяризации критического размера при обычных значениях напряженности электрического поля (этот вывод известен как «парадокс Ландауэра»). Предложенная для интерпретации экспериментальных данных по сверхбыстрой переполяризации поликристаллических тонких пленок Pb(Zr₁-_xTi_x)O₃ модель термофлуктуационного образования тонких сегнетоэлектрических доменов позволила объяснить наблюдаемую необычную зависимость энергии активации от электрического поля: так называемый закон 1/E². Учет процессов докритического роста зародышей переполяризации в кинетическом уравнении для скорости изменения поляризации в пленке позволил установить причину зависимости предельной частоты (максимальной частоты электрического поля, при которой возможно переключение поляризации) от геометрических параметров системы.

 A. Y. Belov. Fast polarization reversal in polycrystalline ferroelectric thin films: the origin of size effects. // Ferroelectrics, 2019. V. 544. P. 27—32.