Попов Вячеслав Валентинович г.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: [email protected]
Фатеев Денис Васильевич Зам. директора СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по научной работе, к.ф.-м.н., эл. почта: [email protected]

Исследования генерации и преобразования оптического и терагерцового излучения в активных полупроводниковых и графеновых наноструктурах и метаматериалах.

В гидродинамическом приближении исследованы дисперсия, возбуждение и усиление поверхностных поперечно-электрических (ТЕ) мод в графене при протекании постоянного электрического тока поперек волнового вектора ТЕ моды. Пропускание постоянного электрического тока приводит к пространственной дисперсии и емкостному характеру высокочастотной проводимости графена, что делает возможным существование поверхностных ТЕ мод в терагерцовом частотном диапазоне. Предсказан новый физический механизм возникновения отрицательной дифференциальной проводимости графена и усиления поверхностных ТЕ мод при малых скоростях дрейфа носителей заряда в графене (значительно меньших фазовой скорости ТЕ волны). Показано, что данный механизм связан с нелинейностью гидродинамической плотности массы носителей заряда в графене. Результат может быть использован при создании терагерцовых усилителей на основе графена.

• M. Moiseenko, V.V. Popov, D.V. Fateev, Terahertz transverse electric modes in graphene with DC current in hydrodynamic regime, Journal of Physics: Condensed Matter, 2022, V. 34, P. 295301(1-6)

Теоретически показана возможность электрической активации и перестройки радиационного затухания слабо радиационных плазмонных мод в графене с двойным решеточным затвором. Приложение асимметричного электрического смещения к разным подрешеткам затвора позволяет перестраивать радиационное затухание слабо радиационных плазмонных мод от нуля (при симметричном смещении) до величины их диссипативного затухания, что приводит к максимальному преобразованию энергии падающей терагерцовой волны в энергию плазмонных мод. Использование слабо радиационных плазмонных мод позволяет эффективно возбуждать плазмонные резонансы в графене с высокой подвижностью носителей заряда, что важно для реализации концепции низкопороговых терагерцовых лазеров на основе плазмонов в графене.

• Mikhail Yu. Morozov, Vyacheslav V. Popov, Denis V. Fateev, Electrical activating of the “nonradiative” terahertz plasmon modes in a periodic grating-gate graphene structure with asymmetrical gating, Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2022, V. 50, P. 101027(1-5)

Теоретически исследованы моды с малым радиационным затуханием (слабые плазмонные моды) в нецентросимметричных структурах с активным графеном. Показано, что использование слабых плазмонных мод позволяет получить лазерную генерацию терагерцового излучения в указанных структурах при существенно меньших величинах накачки графена. Результат может быть использован при создании терагерцовых устройств.

• Denis V. Fateev, Olga V. Polischuk, Konstantin V. Mashinsky, Ilya M. Moiseenko, Mikhail Yu. Morozov, and Viacheslav V. Popov, Terahertz lasing with weak plasmon modes in periodic graphene structures, Physical Review Applied, 2021, V. 15, P. 034043(1-8)

Теоретически исследовано возбуждение и усиление терагерцовых плазмонов в двухслойной графеновой структуре с дрейфом носителей заряда в одном из слоев графена. Показано, что в слое графена с дрейфом носителей заряда возможна реализация отрицательной реальной части дифференциальной проводимости (ОДП) при фазовой скорости плазмонов, превышающей скорость дрейфа носителей заряда. Это отвечает новому механизму нечеренковского усиления плазмонов, основанному на возникновении ОДП при изменении гидродинамической плотности массы носителей заряда в графене при осцилляциях терагерцового электрического поля. Результат может быть использован при создании терагерцовых устройств на основе плазмонов в графене.

• M. Moiseenko, V.V. Popov, and D.V. Fateev, Terahertz plasmon amplification in a double-layer graphene structure with direct electric current in hydrodynamic regime, Physical Review B, V. 103, P. 195430(1-6), DOI: 10.1103/PhysRevB.103.195430

Предложен электрически перестраиваемый преобразователь терагерцового излучения в однонаправленные плазмоны в активном (с инверсией населенности носителей заряда) графене с двойным решеточным затвором при асимметричном электрическом смещении подрешеток затвора. Теоретически показано, что коэффициент направленности плазмона достигает 80%. При этом коэффициент трансформации падающего терагерцового излучения в однонаправленный плазмон может превышать 6 благодаря усилению плазмона в активном (накачанном) графене. Результат может быть использован при создании терагерцовых устройств на основе плазмонов в графене.

• Mikhail Yu. Morozov, Vyacheslav V. Popov, and Denis V. Fateev, Electrically controllable active plasmonic directional coupler of terahertz signal based on a periodical dual grating gate graphene structure, Scientific Reports, 2021, V. 11, P. 11431(1-7)

Теоретически исследована локализация и скорость распространения терагерцовых плазменных волн в клиновидной структуре с двойным графеновым слоем. Показано, что энергетическая скорость плазменной волны и длина ее локализации уменьшаются на порядок величины при ее распространении от вершины клина. Результат может быть использован при создании терагерцовых устройств на основе плазмонов в графене.

• M.Yu. Morozov, V.V. Popov, Terahertz plasma wave localization and velocity control in tapered double-layer graphene heterostructure, Europhysics Letters (EPL), 2020, V.130, P.17005 (1-5)

Теоретически исследованы возбуждение и усиление бегущих плазмонов в периодической структуре с активным (с инверсией заселенности носителей заряда) графеном и двойной затворной решеткой с асимметричной элементарной ячейкой. Показано, что такая структура может трансформировать падающую терагерцовую электромагнитную волну в однонаправлено распространяющиеся усиливающиеся плазмоны. Этот эффект связан с одновременным возбуждением радиационной и «нерадиационной» плазмонных мод на одной и той же частоте. Результат может быть использован при создании терагерцовых устройств на основе плазмонов в графене.

• I.M. Moiseenko, V.V. Popov, D.V. Fateev, Amplified propagating plasmon in asymmetrical graphene periodic structure, Journal of Physics Communications, 2020, V.4, P.071001 (1-6)

Развита нелинейная теория генерации терагерцевого излучения в резонаторе, содержащем многослойную гиперболическую среду на основе графена. Проведен расчет насыщения усиления и мощности генерируемого терагерцевого излучения. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании графеновых устройств для генерации излучения в терагерцевом частотном диапазоне.

• O.N. Kozina, L.A. Melnikov, I.S. Nefedov, The theory for terahertz laser based on a graphene hyperbolic metamaterial, Journal of Optics, 2020, V.22, No.9, P. 095003 (1-9)