Коктейль «поляритон» // Как заставить свет решать наши проблемы

В 1956 году физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта, то есть за технологии, благодаря которым электроника стала компактной.

Следующую революцию совершило оптическое волокно: по проводам побежал свет — объёмы передаваемой информации выросли. Появились мобильные телефоны, интернет.

Сейчас мы приближаемся к очередному пределу миниатюризации технологий. Прогресс в области вычислительной техники замедляется, и люди всё настойчивее пытаются использовать для передачи и обработки информации частицы света. Вот только управлять фотонами не так-то просто: приходится скрещивать фотонику с электроникой. Именно этим занимаются учёные в лаборатории гибридной фотоники Сколтеха.

Гуманитарная часть редакции «КШ» предупреждает: степень сложности текста — 10 из 10. Готовы? Тогда сядьте поудобнее. Пристегните ремни. Поехали.

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

Фотоника — область науки и техники, изучающая различные аспекты создания, распространения, обнаружения частиц света и управления ими.

Нанометр — одна миллиардная метра.

Полимеры — вещества, состоящие из мономерных звеньев, соединённых в макромолекулы.

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.

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.

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.

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.

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.

Научный пирог

— 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.

Павлос Лагудакис — руководитель лаборатории гибридной фотоники Сколтеха. Выпускник Афинского университета (Греция). Получил степень PhD в области физики в Саутгемптонском университете (Великобритания) в 2003 году. Более десяти лет руководит научными коллективами по всему миру. Автор более ста научных публикаций. Признанный специалист в области гибридной фотоники и поляритоники.

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.

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.

— 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.

В этом эксперименте полупроводниковую структуру поместили между брэгговскими зеркалами, от которых свет многократно отражался и возбуждал ещё большее количество экситонов. Брэгговские зеркала — это неорганические материалы, которые состоят из множества слоёв толщиной в четыре раза меньше длины волны падающего света. Ведь свет, как мы знаем, можно представить как невидимую волну, и у каждого цвета длина волны своя. Например, если мы хотим, чтобы брэгговское зеркало отражало зелёный свет с длиной волны 540 нанометров, то толщина слоёв должна быть 135 нанометров. Из-за чрезвычайно малого размера микрорезонатора и высокого качества брэгговских зеркал экситоны интенсивно перемешиваются с фотонами — и возникают поляритоны. Чем выше точность изготовления слоёв, тем лучше будет удерживаться между ними свет и тем дольше учёные смогут работать с поляритонами. Целиком такая структура называется микрорезонатор.

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.

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».

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

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 —263оС, 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.

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.

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.

Автонастройка хода пучка лазера перед запуском эксперимента.

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.

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.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (39-40) за январь-февраль 2018 г.

‏Source kot.sh