Ученые ИТМО разработали устройство для создания сцепленных частиц света и материи и управления ими. Скопления таких частиц могут стать более эффективной и экологичной заменой электричества. А само устройство можно использовать в основе архитектуры более быстрых компьютеров, средств передачи связи или интернет-сетей.
Разработанная учеными установка. Фото предоставлено учеными ИТМО
Переход от электронных устройств к фотонным — один из самых перспективных и активно обсуждаемых в научном мире сценариев развития технологий. Под фотонными устройствами понимают аналоги знакомых нам устройств, например компьютеров, которые приводит в действие не электричество, а энергия частиц света. Такие технологии менее энергозатратны и более экологичны, а также позволяют передавать и обрабатывать информацию в разы быстрее. Однако устройства на основе фотонных технологий пока имеют довольно большие размеры по сравнению с электронными аналогами. К тому же полный переход от электричества к свету — крайне дорогостоящий и долгий процесс.
Ученые ИТМО нашли компромисс между фотонными и работающими на электричестве технологиями. Их устройство управляется как светом, так и электричеством, а «работает» на сцепленных между собой частицах света и экситонах — связанных состояниях электронов и дырок, то есть образовавшихся на месте возбужденных электронов пустот. Такие квазичастицы называют экситон-поляритонами. Другое их название — «жидкий свет», потому что, с одной стороны, они ведут себя как частицы света, с другой — обладают свойствами материи. Поэтому ими значительно легче управлять, чем светом. Кроме того, взаимодейсвие между экситон-поляритонами сильнее, чем между фотонами, что также облегчает работу с ними.
Разработанная учеными установка. Фото предоставлено учеными ИТМО
Слева сверху: схема разработанного устройства, которое управляется с помощью электрического напряжения и лазерных импульсов; снизу показаны два различных состояния экситонов, формирующихся внутри устройства. Справа: измеренная зависимость силы связи света с веществом от мощности лазера для двух различных поляритонных состояний. Схема предоставлена учеными
Разработка ученых представляет собой тонкую пластинку из нескольких слоев. На подложке из оксида кремния расположен фотонный кристалл — решетка из оксида тантала, покрытая сверху листом диселенида молибдена толщиной всего в три атома. Пластинка активируется с помощью лазерного луча. Свет попадает на устройство, накачивает решетку фотонами и одновременно заставляет находящиеся в диселениде молибдена электроны переходить в возбужденное состояние и формировать экситоны. Далее фотоны сцепляются с экситонами и образуют те самые экситон-поляритоны.
«Наша разработка позволяет не только «включать и выключать» устройство, но и управлять двумя состояниями экситон-поляритонов, которые соответствуют разным длинам волн светового спектра. Также мы можем активировать оба состояния одновременно или каждое по отдельности с разной мощностью. И делаем это как с помощью луча лазера, так и регулировки электрического напряжения в пластинке (она подключена к источнику электричества). Мы изучаем, при каких параметрах состояния активируются в зависимости от напряжения и мощности лазера. По этим зависимостям понимаем, когда происходит переход из одного состояния экситон-поляритонов в другое. Эта информация — “ключ” к высокоточному управлению частицами», — объясняет один из авторов проекта Василий Кравцов, ведущий научный сотрудник физического факультета, сотрудник лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО.
Василий Кравцов. Фото: ITMO.NEWS
Разработка может стать частью сложных устройств, понизив их энергопотребление и увеличив скорость работы. Например, оптических компьютеров или вычислителей, работающих по принципу нейронных сетей и позволяющих максимально раскрыть возможности ИИ. Также их можно использовать в качестве интерфейса для инфраструктуры интернет-сетей. Устройства могут стать основой для оптических переключателей и модуляторов, с помощью которых можно передавать и обрабатывать информацию, а также коммутаторов, позволяющих перераспределять энергию и направлять к нужным элементам системы.
Работала проводилась в рамках проекта «Приоритет 2030» на базе лаборатории «Функциональные материалы для поляритонной квантовой логики».