Международный коллектив ученых предложил и изучил новые способы применения поляритонов в технологиях второй квантовой революции. Обзор и исследование перспектив технологий опубликованы в журнале Nature Reviews Physics.
8 июля 2024 года профессор Кавокин во время празднования 130-летия Петра Капицы, состоявшегося на территории Физтеха (МФТИ), дал интервью корреспонденту агентства ТАСС, во время которого, в частности, сказал, что «недавно его работу приняли для публикации в Nature Physics, но для этого пришлось убрать аффилиацию МФТИ и воспользоваться тем, что в тот момент у меня еще была «китайская» аффилиация». Эти его слова вызвали бурную реакцию в российских СМИ и в блогосфере. Кто-то поспешил обратить внимание на то, что санкции распространяются и туда, куда они, по идее, не должны распространяться. Другие наблюдатели высказывались за то, что не стоит тогда публиковаться в том месте, в котором редакторы не оставляют возможности ученому указать его подлинную аффилиацию. Здесь популярно изложено содержание этой статьи, которое очень интересно само по себе.
Экситон-поляритоны образуются в результате взаимодействия между квантами света (фотонами) и возбуждениями (экситонами) в полупроводниковых кристаллах. Они одновременно обладают свойствами и вещества, и света.
С одной стороны, они характеризуются волновыми параметрами, такими как частота, поляризация, фаза и групповая скорость. С другой, они взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, друг с другом и могут образовывать конденсат Бозе — Эйнштейна при комнатной температуре, в то время как обычное вещество образует его лишь при сверхнизких температурах.
Современные квантовые технологии, такие как квантовая криптография или квантовые компьютеры, не получают пока широкого распространения из-за дороговизны систем охлаждения и техники, работающей при сверхнизких температурах. Поляритонные конденсаты могут решить эту проблему, а также преодолеть множество других технических сложностей.
Конденсаты поляритонов — это особые состояния вещества, которые обладают сверхтекучестью, формируют квантованные вихри, солитоны, характеризуются поляризационными текстурами и топологически защищенными потоками. Взаимодействия между ними вызывают сильную оптическую нелинейность, что позволяет создавать поляритонные конденсаты с помощью модуляторов пространственного света, настраивать их энергию, импульс и поляризацию, а также организовывать их в кластеры или регулярные решетки. Благодаря высокой контролируемости и возможности считывания их квантовых состояний с помощью современных инструментов оптической спектроскопии поляритонные конденсаты могут быть использованы для создания как классических, так и квантовых вычислительных сетей.
Стимулированное (как правило, за счет первичного спонтанного заселения одного из квантовых состояний) рассеяние экситонных поляритонов в полупроводниковом микрорезонаторе приводит к аккумуляции многих тысяч поляритонов в данном квантовом состоянии, то есть к формированию конденсата.
Первые эксперименты по его получению были выполнены на часто используемых в микроэлектронике неорганических структурах, таких как арсенид галлия.
Схема получения поляритонного конденсата. Источник: Nature Reviews Physics
В последние годы конденсаты реализовали на многих других структурах.
Примеры современных структур, в которых наблюдаются поляритонные конденсаты. а) дихалькогениды переходных металлов, b) органический материал BODIPY-Br, c) органический материал mCherry Источник: Nature Reviews Physics
Исследовательская группа под руководством Алексея Кавокина из МФТИ в своей научной работе обобщила результаты научных исследований по всему миру в области управления поляритонами и создания поляритонных конденсатов за последние годы, опубликованные в 253 научных статьях. Ученые рассмотрели возможные практические применения новых поляритонных технологий.
«Современная поляритоника находится на полпути от изучаемых эффектов к приложениям, — объясняет Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Главными особенностями этой технологии являются легкая масса поляритонов и конечное время жизни, очень специфические взаимодействия между ними. Кроме того, она характеризуется возможностями управления формой конденсатов и контролем над направлением сверхтекучих токов оптическими методами, использованием квантовых эффектов при высоких температурах».
В первую очередь исследователи проанализировали новые материальные платформы, появившиеся в последние годы, с точки зрения реализации поляритонных технологий, оценили перспективы их развития, сложности в реализации и свели все в одну таблицу.
Новые материалы для поляритоники
Материал |
Преимущества |
Недостатки |
Перспективы |
Дихалькогениды переходных материалов (TMDCs) и гетероструктуры Ван дер Ваальса |
Экстремальное размерное квантование экситонных состояний, большие энергии связи экситонов, необычные эффекты спин-орбитального взаимодействия, работа при комнатной температуре, настраиваемые взаимодействия на основе ван-дер-ваальсовой технологии |
Малый размер чешуек, образующихся при отслаивании, снижает скорость экситон-фотонной релаксации по сравнению с GaAs |
Исследования транспортных и топологических эффектов, представляется возможной конденсация поляритонов с помощью инжекции постоянным током |
Перовскиты |
Достижимы высокие концентрации экситонов, режим сильной связи при комнатной температуре, возможность электронной инжекции в поляритонных лазерах |
Большое неоднородное уширение экситонов, образцы со временем разрушаются |
Применение наночастиц перовскита для создания квантовых излучателей света с использованием эффекта поляритонной блокады |
Органические молекулы |
Достижимы высокие концентрации, поляритонная конденсация и сверхтекучесть при комнатной температуре |
Большое неоднородное уширение экситонов, образцы со временем разрушаются, электронная инжекция и пропускание электрического тока, трудно реализовать |
Применение в логических и топологических схемах, а также решетках конденсатов при комнатной температуре |
Жидкие кристаллы |
Простая настройка параметров расщепления ТЕ-ТМ и оптического двулучепреломления. Электронное управление соответствующими спино-оптико-электронными и топологическими эффектами |
Режим слабой связи в жидкокристаллических полостях, который может быть преобразован в сильную связь в гибридных полостях. Все еще высокая скорость дефазирования |
Оптимизация гибридных структур, таких как микрорезонаторы из жидких кристаллов и перовскита, для применения в топологических поляритонных лазерах |
Оказалось, что очень перспективным направлением являются топологические изоляторы, сделанные с помощью поляритонных технологий. Это особые материалы, которые проводят ток на своей поверхности, но являются изоляторами внутри. Топологические изоляторы нужны для современных устройств памяти, наноразмерной электроники, спинтроники, а также из них можно изготавливать очень быстрые переключатели и транзисторы, необходимые для терагерцовой электроники.
Топологические изоляторы на основе поляритонных конденсатов. a) Иллюстрация поляритонной решетки. Информация обычно кодируется в интенсивности, вращении плоскости поляризации или фазе света. b) Схематическое изображение киральной краевой моды топологических поляритонов. Гибридное состояние света и материи (поляритон) движется по краю образца, защищенное от обратного рассеяния и рассеяния в объем. c) Схема реализации экситон-поляритонного топологического изолятора, в котором использована сотовая решетка связанных резонаторов. d) Сочетание эффективного спин-орбитального взаимодействия и наличия магнитного поля открывает топологическую щель. Источник: Nature Reviews Physics
На основе поляритонов можно создавать искусственные нейроны, нейроморфные вычислительные сети и обычные компьютерные нейронные сети. Но самое интересное — на их же основе можно делать поляритонные кубиты, работающие при комнатной температуре, что решает проблему дороговизны квантовых компьютеров.
Схема устройства поляритонного кубита. Источник: Nature Reviews Physics
Ученые сделали обзор разрабатываемых поляритонных платформ для квантовых и классических вычислений, исследовали перспективы и проблемы этих технологий. Результаты также были сведены в таблицу
Поляритонная платформа для классических и квантовых вычислений
Приложения |
Преимущества |
Проблемы |
Перспективы |
Топологические поляритонные лазеры |
Большая нелинейность и управляемые спин-орбитальные взаимодействия обеспечивают высокую гибкость технологии по сравнению с фотонными топологическими структурами. Решетчатые потенциальные ландшафтные технологии на широком спектре материальных платформ |
Мощность поляритонных лазеров ограничена переходом Мотта. Роль взаимодействия и нелинейности и топологии в значительной степени не изучена |
Разработка топологических поляритонных лазеров с электронной инжекцией, работающих при комнатной температуре, когерентное соединение большего массива отдельных лазеров с вертикальным излучателем |
Нейроморфные поляритонные сети |
Полностью оптический контроль динамики доменных границ, высокая масштабируемость, сверхбыстрые операции |
Работа при комнатной температуре пока не показана, интерфейс с обычной электроникой еще предстоит разобрать |
Разработка нейроморфных поляритонных сетей, интегрируемых в традиционную вычислительную среду |
Квантовые вычисления |
Поляритонные сверхтекучие жидкости сохраняют пространственную когерентность в течение чрезвычайно длительного времени. Оптическое считывание квантовых состояний – это просто, а масштабирование сетей с оптическим управлением — несложно |
Запутанность, двухкубитные вентили еще предстоит продемонстрировать. Нелинейность, вызванная поляритон-поляритонными взаимодействиями, может влиять на отображение состояний кубита в виде сферы Блоха |
Эксперименты по проверке концепции, демонстрирующие операции Паули и Адамара с конденсатами с расщепленным кольцом, затем демонстрация двухкубитных вентилей ISWAP и CNOT (контролируемых NOT) |
Кроме того, поляритоны открывают путь к дешевому и доступному созданию высокотемпературных сверхпроводников за счет сочетания фотонного и поляритонного механизмов.
Схема устройства поляритонного высокотемпературного сверхпроводника. Источник: Nature Reviews Physics
Исследования показывают, что сочетание фотонного и поляритонного механизмов сверхпроводимости приводит к резкому росту критической температуры. Теоретические оценки показывают возможный ее рост до температур около 140 кельвинов (около –130 °С), и это, возможно, далеко не предел. Но даже такое достижение открывает много возможностей для практического применения, так как обычные не слишком дорогие промышленные криогенные установки, используемые, например, для сжиженного природного газа, транспортировки и разделения атмосферных газов, охлаждения электронных устройств и реакторов, в медицине — позволяют получать низкие температуры вплоть до –150 °С. Ввиду множества проблем, связанных с производством и эксплуатацией обычных сверхпроводников, поляритонные сверхпроводники могут оказаться самым перспективным вариантом с точки зрения доступности и дешевизны изготовления.
В 2017 году была впервые продемонстрирована сверхтекучесть конденсата поляритонов при комнатных температурах. В ближайшие годы ожидается бурное развитие приложений поляритонных технологий во всех перечисленных областях. Над этим сейчас работают несколько десятков исследовательских групп по всему миру, взаимодействующих между собой.
В работе над обзором и исследованием перспектив приложений поляритонных технологий принимали ученые из МФТИ, Сколтеха, а также их коллеги из Сингапура, Германии, Китая и Великобритании.