Свет представляет собой не только поток фотонов, но и сложную квантовую систему, способную формировать разнообразные состояния и фазы. Одним из таких состояний является квантовая жидкость света, также известная как поларитонный конденсат. Данное состояние возникает при интенсивном взаимодействии света с веществом, в результате чего образуются гибридные квазичастицы — поларитоны. Поларитоны обладают свойствами как света, так и материи. Они способны существовать в виде когерентного коллективного состояния, аналогичного сверхтекучести или сверхпроводимости, которое называется поларитонным конденсатом Бозе-Эйнштейна. Поларитонные конденсаты вызывают значительный интерес у физиков и инженеров ввиду их потенциального применения для создания новых типов устройств, функционирующих на основе квантовой жидкости света.
Такие устройства могли бы демонстрировать высокую скорость работы и эффективность, используя свет в качестве носителя информации.
Однако реализация подобных устройств сталкивается с рядом вызовов, связанных с необходимостью точного управления пространственным распределением, плотностью и энергией поларитонных конденсатов. Данная задача усложняется высокой чувствительностью поларитонов к внешним воздействиям, которые могут привести к потере их специфических свойств.
Схема двухцветного органического микрорезонатора с двухцветными профилями возбуждения, создающего поляритонный конденсат в центре кольцевой формы. Источник: phys.org
Недавно группа физиков из Сколковского института науки и технологии (Сколтех) сделала значительный прорыв в области управления квантовой жидкостью света при комнатной температуре. Они предложили новый подход для активного пространственного контроля поларитонных конденсатов без использования обычных методов возбуждения поларитонов. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Исследователи использовали органический микрорезонатор — тонкую пленку из полупроводникового материала, заключенную между двумя зеркалами. В таком резонаторе свет может быть заперт на долгое время и сильно взаимодействовать с электронами в полупроводнике, образуя поларитоны. Однако для того, чтобы создать поларитонный конденсат, необходимо подавать на резонатор достаточно интенсивный лазерный пучок определенной длины волны. Это ограничивает возможности управления формой и расположением конденсата внутри резонатора.
Чтобы преодолеть это ограничение, ученые добавили в резонатор дополнительный слой из кополимера, который не резонирует с поларитонами, а слабо связан с ними. Этот слой имеет свойство поглощать свет при двух разных длинах волны — одной, которая соответствует поларитонам, и другой, которая не соответствует. При этом поглощение света зависит от его интенсивности: чем сильнее свет, тем меньше он поглощается. Это явление называется насыщением поглощения.
Используя два лазерных пучка разных длин волны, ученые смогли частично насытить поглощение света в кополимерном слое и тем самым изменить его эффективный показатель преломления. Это привело к тому, что поларитоны стали испытывать дополнительное пространственное воздействие от кополимера, которое можно было контролировать с помощью лазеров. Таким образом, ученые смогли формировать поларитонный конденсат в виде кольца в центре резонатора, а также менять его размер, форму и энергию.
Кроме того, ученые обнаружили, что кополимерный слой также влияет на потери поларитонов. При насыщении поглощения света в кополимере возникает дополнительный механизм рассеяния света, называемый поглощением в возбужденном состоянии. Это явление приводит к тому, что поларитоны быстрее теряют свою энергию и выходят из резонатора. Это означает, что кополимерный слой может быть использован для локального управления диссипацией поларитонов.
Сочетание этих двух механизмов — модуляции показателя преломления и диссипации — позволило ученым достичь безпрецедентного контроля над квантовой жидкостью света при комнатной температуре. Это открывает новые перспективы для создания высокоскоростных и эффективных устройств на основе поларитонов, которые могут выполнять различные логические операции с помощью света.
«Этот прорыв открывает новую эру органических поларитонных платформ, призванных заложить прочную основу для области вычислений на основе жидкого света при амбиентных условиях. Овладевая удивительными свойствами сильного взаимодействия света и материи, мы можем раскрыть весь потенциал поларитонов и освободиться от ограничений традиционных архитектур резонаторов. Мы становимся свидетелями будущего технологий, которое разворачивается перед нашими глазами», — говорит Антон Путинцев, научный сотрудник лаборатории гибридной фотоники Сколтеха и главный автор работы.
Также стало известно, что физики из Кембриджского университета разработали поляритонный переключатель, позволяющий управлять спином конденсата Бозе — Эйнштейна в рамках создания более производительных и компактных транзисторов. Об этом пишет Nature Materials. В современной электронике сигналы обрабатываются последовательно: их носитель — электрический заряд — перемещается в полупроводнике и затем с помощью света передается в оптоволокно.
Такое преобразование представляется неэффективным в связи с низкой скоростью. При этом, по закону Мура, число транзисторов на одном чипе в последние 50 лет удваивается каждые два года и требует все более мощных и дешевых решений.
В качестве альтернативы американские ученые создали электро-оптический переключатель, который использует конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны. Бозе-конденсат предполагает захват света между зеркалами, разведенными на расстояние миллионных метра, и его взаимодействие с тонкими подложками из полупроводника. В результате формируется полусветовая-полуматериальная квазичастица — поляритон.
«Мы создали переключатель полевого света, который может преодолеть разрыв между оптикой и электроникой. Мы также сконструировали рекордно малый тип транзистора, который, вероятно, повысит мощность и эффективность устройств на “жидком свете”», — сообщил соавтор исследования Хамид Охади.
По его словам, пока прототип переключателя работает при «криогенных» температурах (ниже -153 градусов по Цельсию). В настоящее время ученые работают над адаптацией технологии к другим материалам и ее воспроизведению при комнатных температурах. Коммерциализации методики способствует ее потенциал масштабируемости, уверен Охади. Так, она базируется на хорошо известных способах производства и имеет ресурсы для интеграции с уже существующими технологиями.
