В 1956 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии за фундаментальные исследования в области полупроводников и открытие ими транзисторного эффекта, который послужил основой для создания современной компактной электроники. Следующий значительный прорыв произошёл с появлением оптического волокна, позволившего передавать информацию на большие расстояния посредством световых лучей. Это событие стало катализатором развития мобильной связи и интернета. В настоящее время человечество сталкивается с ограничениями в миниатюризации электронных технологий, что ведёт к замедлению прогресса в области вычислительной техники. Учёные всё активнее рассматривают возможность использования фотонов – частиц света – для передачи и обработки информации. Однако управление фотонами представляет собой сложную задачу, требующую интеграции фотоники с электроникой. Именно этой проблемой занимаются исследователи в лаборатории гибридной фотоники Сколтеха.

Воспользуйтесь нашими услугами

• Наша продукция
• Презентации по направлениям
• Инжиниринг
• Консалтинг
• Металлообработка
• Моделирование
• Разработки

Лаборатория в процессе работы. Приглушённый красный цвет, как в фильме ужасов, нужен, чтобы умерить световой шум при наблюдении за поляритонами. Когда мы подошли к приборному столику, нам закричали: «Берегите глаза! Очень мощный лазер. Без защитных очков ослепнете!» И мы тут же надели защитные очки. которые нам выдали перед входом в лабораторию

Одно из главных слов гибридной фотоники — поляритон. Что это такое? Пожалуй, чтобы объяснить, вначале придётся вспомнить, что представляет собой полупроводник.

Проводниками мы по большей части называем металлы. Они легко пропускают электрический ток благодаря большому количеству не связанных с атомами электронов, которые свободно перемещаются по кристаллической решётке.

На другом полюсе находятся диэлектрики, обладающие крайне слабой электропроводностью. К ним относятся воздух и другие газы, стёкла.

Процесс настройки мощного лазера, лучи которого проходят расстояние более десяти метров, есть ящик с зеркалами, моторами, отражателями и специальными камерами. Это чрезвычайно важный лазер: благодаря высокой мощности и возможности гибкой перестройки длины волны — цвета излучения — он задействован сразу в пяти экспериментах. Исследователи нередко спорят за право работать на нём. Так что даже в науке бывают живые очереди

А есть ещё полупроводники. Ток они пропускают, но при определённых условиях. Пример такого материала — кремний.

Дело в том, что в полупроводниках свободных электронов почти нет. Однако связанный электрон может перейти в свободное состояние, если передать ему достаточное количество энергии. При этом на месте, где была частица, образуется дырка. Примечательно, что электрон как бы старается сохранить за собой возможность вернуться, поэтому путешествует только со своей дыркой. Пару «электрон и его дырка» называют экситоном.

Автонастройка хода пучка лазера перед запуском эксперимента

С помощью лазера в полупроводнике можно возбудить огромное количество экситонов. И если приложить к возбуждённому полупроводнику напряжение, то электроны побегут в одном направлении, а их дырки в другом. Возникнет ток. На этом принципе основана работа фотоэлементов и солнечных батарей. Если же не прикладывать напряжение, то через некоторое время электроны займут исходные места, а лишняя энергия преобразуется обратно в свет. То есть экситон исчезнет и возникнет фотон — частица света.

Контроллер для лазера. Все эти большие коробки с содержимым необходимы для работы лазеров. Во время эксперимента они синхронизируются, как оркестр под управлением дирижёра. Несколько лазеров соединяются и взаимодействуют, чтобы учёные могли получить экзотическое состояние материи

Теперь можно вернуться к вопросу о поляритоне и попытаться понять, откуда он берётся. Для этого поместим слой возбуждённого полупроводника меж двух зеркал. Через некоторое время экситоны начнут преобразовываться в фотоны, которые, отражаясь от зеркал, снова будут возбуждать экситоны. Если мы посмотрим в полость между зеркалами, то увидим свет, который то появляется, то исчезает — в зависимости от того, излучает или поглощает его полупроводник. Говоря языком физики, в каждый момент времени вся энергия находится либо в фотонах, либо в экситонах.

Мы привыкли к видимым лучам лазера, таким как мечи джедаев в «Звёздных войнах». Но на деле видимые лучи — сигнал о проблеме. Это значит, что воздух насыщен частичками, и свет, рассеиваясь на них, становится видимым. Частицы же, оседая на оптических элементах, сгорают в мощных лазерных пучках и портят оптику

Однако если взять тонкий — порядка 100 нанометров — слой полупроводника, поместить его между зеркалами, расположенными близко друг к другу, и снова начать подсматривать, мы больше не увидим чередования света и тьмы. Наоборот: возникнет состояние, при котором частицы одновременно пребывают как в виде экситонов, так и фотонов. Из-за скорости распространения света и чрезвычайно малых расстояний между зеркалами поглощение и излучение света полупроводником сливаются. Такой коктейль из света и материи называется поляритоном.

— Когда мы говорим «гибридная фотоника», то подразумеваем не только смесь электроники и фотоники, но и комбинацию органики и неорганики, — рассказывает руководитель лаборатории гибридной фотоники Павлос Лагудакис. — Сначала мы проводили исследования с неорганическими материалами. Но они требуют низких температур, что неудобно. Поэтому мы стали работать с олигомерами — органическими полимерами. Они выглядят как спагетти. Когда мы делаем органический полупроводник, то как бы кладём на плату наноспагетти — слой за слоем. Получается этакий полезный для науки пирог.

Однако олигомеры сложно упорядочить. А значит, нельзя создать большое количество поляритонов и удерживать их достаточное для работы время. По этой причине органические материалы не могут полностью заменить неорганические. Мы их сочетаем. Это важно с точки зрения практического применения. Например, маленький диктофон, на который вы записываете наш разговор, использует электронику, работающую при комнатной температуре, и это здорово. Устройства, которые работают только при низких температурах, пусть даже очень быстро, невозможно использовать в обычной жизни.

— Зачем нужна гибридная фотоника, если электроника уже позволила создать телефоны, компьютеры, часы?

— Дело в том, что фотоны обладают рекордными скоростями, благодаря чему способны передавать колоссальные объёмы информации за считаные секунды. Передача и обработка больших данных — это вызов современным технологиям. Да, люди давно научились использовать свет для эффективной передачи информации. Сегодня оптоволоконные линии — это промышленный стандарт. Однако мало уметь передавать свет, им нужно управлять. Как известно, электрон имеет заряд, поэтому им легко манипулировать, прикладывая напряжение. Фотон нейтрален. Как заставить частицы света работать на нас? Просто подать напряжение, как в электричестве, уже не получится. Поэтому возникла идея использовать поляритоны — они такие же быстрые, как фотоны, но имеют свойства электронов. Так появилась гибридная фотоника, которая берёт всё лучшее из электроники, но позволяет создавать более быстрые и при этом миниатюрные устройства.

— Когда же мы сможем прийти в магазин и купить гибридный прибор или скачать терабайты информации за доли секунды?

— Вместе с коллегами из IBM мы планируем разработать в течение ближайших пяти лет микрочиповый вычислитель, основанный на принципе конденсирования поляритонов и работающий при комнатной температуре. Отдельные узлы устройства уже готовы. Следующий шаг — объединить их. Вычислитель будет работать быстрее, чем суперкомпьютер. Скорее всего, в ближайшие десятилетия гибридная фотоника станет частью нашей повседневной жизни.

Павлос Лагудакис и Тамсин Куксон, аспирантка Университета Саутгемптона, наблюдают на экране конденсат поляритонов, полученный в результате возбуждения лазерным пучком неорганического полупроводника в микрорезонаторе. Конденсация поляритонов — ключевой процесс при построении поляритонного вычислителя. Как говорят учёные, «мы формируем условия задачи путём определённого облучения образца лазером, а правильный ответ получается сам собой через наблюдение за поведением поляритонов в образце. Решение здесь не наше — природы, нужно лишь правильно задать условия»

Фотоника — это работа прежде всего со светом, а значит, и с множеством линз, объективов и другой оптики. Линза с частичкой мусора сгорит, если направить на неё лазер. Такое допустить нельзя. Поэтому учёные ведут бесконечную борьбу с пылью.

Гибридный монитор. Устройство, которое из светодиода, излучающего только синий свет, позволяет получать другие цвета. Этот эффект используется в микродисплеях для VR-очков

— Лаборатория открылась в августе 2016-го. С тех пор мы построили больше десятка экспериментальных установок, на которых исследуем взаимодействие света с наноструктурами. Эти знания помогают оптимизировать свойства полупроводниковых приборов, например светоизлучающих диодов, благодаря которым светится экран вашего компьютера, — рассказывает профессор Лагудакис.

Установка для работы с неорганическими полупроводниками

Несмотря на кажущийся хаос, все линзы, держатели, фильтры, лазеры расставлены в строгом порядке с точностью до миллионных долей метра — микронов. Даже небольшое нарушение порядка собьёт настройки — поляритоны не возникнут, и эксперимент провалится. Именно на этой установке учёные Сколтеха первыми в мире продемонстрировали принцип работы поляритонного вычислителя. Статья с результатами исследования опубликована в Nature Materials.

Поляритонный усилитель. Использование поляритонов для оптического усиления впервые было предложено в 2000 году. В 2001-м поляритонный усилитель установил рекорд — в 5000 раз увеличил сигнал при прохождении через микрорезонатор толщиной всего 5 микрон. Чтобы микрорезонатор мог усиливать сигналы, его необходимо охладить до −263°С, что, конечно, является серьёзным препятствием для применения в бытовых приборах и гаджетах. Проблема в том, что при его изготовлении использовались неорганические полупроводники. Переход к органическим материалам позволил поляритонам существовать при комнатных температурах. В прошлом году совместно с коллегами из IBM учёные Сколтеха добились усиления сигнала в 30 000 раз при толщине микрорезонатора чуть более двух микрометров. Это первый поляритонный усилитель, работающий при комнатной температуре

Нам удалось увидеть процесс получения поляритонов и их последующей конденсации в разных точках образца в зависимости от формы лазерного пучка. Конденсацию можно представить так: мы помещаем в полупроводник воронки — светим лазерами, а поляритоны, расположенные близко к ним, засасываются внутрь.

Фото Артёма Поповича

Получено экспериментальное доказательство существования парного поляритона – объединенного возбуждения поля и пары атомов

Иллюстрация: H. Konishi et al / Nature.

Швейцарские физики экспериментально доказали существование новой частицы — парного поляритона, то есть объединенного возбуждения поля и пары атомов. Для этого они поместили ферми-газ в сильном режиме взаимодействия в оптический резонатор. Исследование опубликовано в Nature. Если облучать атом интенсивным светом с частотой, соответствующей переходу из основного в возбужденное состояние, населенность его уровней (то есть вероятность встретить атом на уровне) начинает осциллировать с частотой Раби. Такая ситуация описывается с помощью так называемых «одетых» состояний, которые включают в себя и состояния поля, и атома. Оказалось, что такой подход справедлив не только для атомов, молекул или квантовых точек, но и вообще для любых систем, где есть фотоиндуцированный переход, даже самых экзотических. Одной из таких систем оказался ферми-газ, состоящий из взаимодействующих друг с другом атомов.

В нем может возникать элементарное возбуждение, которое происходит, когда два атома переходят в особое молекулярное состояние, чья протяженность существенно ниже, чем характерные расстояния между свободными атомами в газе. Образование такого состояния за счет поглощения фотона называется фотоассоциацией и определяется по спектрам пропускания излучения через газ. При «одевании» такого перехода светом в спектрах также проявляют себя осцилляции Раби. Их наблюдали всего пару раз, но лишь для слабовзаимодействующих атомов в газе, для которых этот процесс фотоассоциации остается крайне несущественным.

Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Жана-Филиппа Брантю (Jean-Philippe Brantut) смогли экспериментально реализовать сильную связь поля с веществом в условиях сильной связи между атомами ферми-газа. В результате они зафиксировали гибридные возбуждения, которые смешивают пару атомов и фотон в одну квазичастицу — парный поляритон. Парные поляритоны объединяют в себе быструю динамику резонансного взаимодействия, присущую свету, и универсальность парных корреляций, характерную для атомов, что отражается в оптических спектрах.

Для реализации этого эффекта авторы помещали облако изотопов лития ⁶Li, состоящее из примерно 460000 атомов, в резонатор с высокой добротностью в присутствии магнитного поля. Ферми-газ был сильно охлажден для достижения вырожденного состояния, а наличие резонатора обеспечивало сильную связь излучения с веществом. Магнитное поле было подобрано таким образом, чтобы при изменении отстройки зондирующего излучения ферми-газ испытывал кроссовер БКШ—БЭК, то есть последовательность состояний газа, соответствующая различным режимам парных корреляций атомов. Физики построили частотную диаграмму, меняя отстройку частоты резонатора и частоты зондирующего излучения, и обнаружили несколько сигналов фотоассоциации во всех режимах кроссовера.

Схематическое изображение двухчастичных волновых функций для трех режимов кроссовера БКШ—БЭК (оттенки синего) и для молекулярного состояния (черная линия). H. Konishi et al / Nature

Исследуя корреляционную функцию парного поляритона, авторы обнаружили, что ее зависимость от силы взаимодействия носит универсальный характер. Иными словами, связь поля с переходами фотоассоциации зависит только от особенностей атомов в основном состоянии, а не от деталей перехода в молекулярное состояние. Чтобы проверить эту гипотезу, физики измерили зависимость частоты Раби от различных параметров при разных режимах и для разных переходов. Результаты измерения оказались в согласии с вычислениями, сделанными в рамках упрощенных орбиталей, подтверждая гипотезу.

Помимо этого, ученые показали, что в такой системе можно производить динамические измерения, отслеживая свойства парных поляритонов со временем. Для этого авторам нужно было научиться различать сигнал фотоассоциации от сигнала одиночных атомов. Это было сделано с помощью наклона поляризации падающего излучения по отношению к магнитному полю. В этом случае различные сигналы оказывались поляризационно чувствительными.

Физики проводили 50 измерений с интервалом в 10 миллисекунд. В результате они смогли обнаружить уменьшение коллективной частоты Раби со временем, частично связанное с потерями атомов в самом газе. Вместе с тем нормализованная частота Раби, связанная с парными поляритонами, оставалась неизменной, что подтверждает, что многочастичный характер взаимодействия сохраняется даже после многократных измерениях на одном и том же атомном ансамбле. Авторы надеются, что полученные результаты будут полезны при исследовании корреляций старших порядков.

Измерение динамических параметров атомных и молекулярных систем в последнее время вышло на новый уровень. Недавно мы рассказывали, как когерентную динамику молекулы йода измерили с фемтосекундным разрешением.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/, https://elementy.ru/