Исследователи ИТМО и МФТИ впервые смогли «поймать» сверхбыстрые гибридные частицы света — экситон-поляритоны. Для этого физики использовали фемтосекундный лазер и тонкую метаповерхность с микроскопическим узором. В перспективе разработка может помочь создавать оптические вычислители, способные переобучаться и работать в сотни раз быстрее современной электроники.
Экситон-поляритоны возникают, когда фотон взаимодействует с экситоном — возбуждением в материале. Такие гибридные частицы могут быстро переносить информацию, но удерживать их в одном месте непросто. Здесь ученые столкнулись с парадоксом Клейна. Он описывает поведение частиц, почти не имеющих массы и движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Такие частицы могут проходить сквозь барьеры, поэтому их сложно запереть в ловушке.
Для фотонных вычислений это важная проблема: свет необходимо направлять и удерживать в нужной области чипа, чтобы он успевал обрабатывать информацию. Команда Нового физтеха ИТМО совместно с коллегами из МФТИ решила использовать для этого перовскитную метаповерхность.
Перовскит — мягкий и гибкий материал, на котором можно создавать микроскопические узоры. Кроме того, в таких пленках при комнатной температуре удается наблюдать квантовые эффекты, которые раньше получали при сверхнизких температурах.
«Мы сделали пленку толщиной в тысячу раз тоньше человеческого волоса и прямо в ней отпечатали микроскопическую решетку, чтобы взаимодействие света и вещества стало максимально эффективным».
Сергей Макаров, директор Института фотоники и главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО
Во время эксперимента исследователи направили сверхкороткий лазерный импульс в крошечную точку на метаповерхности. Лазер возбуждал перовскит, и внутри этой области появлялись поляритоны.
За пределами лазерного пятна материал оставался невозбужденным. Благодаря этому частицы не могли свободно разлетаться. Ведущий научный сотрудник МФТИ Антон Налитов объяснил, что баланс притока и потерь энергии создает условия, позволяющие обойти парадокс Клейна и удерживать частицы света в ловушке.
Главная перспектива разработки — фотонные вычисления. В обычных процессорах информация передается электронами, а оптические схемы используют свет. В дальнейшем ученые планируют интегрировать перовскитные метаповерхности в дифракционные нейронные сети. Это оптические схемы, где свет выполняет вычисления, проходя через несколько слоев с микроскопическими узорами.
Если на чипе площадью около квадратного сантиметра удастся разместить множество таких ловушек, технология сможет применяться для векторно-матричного умножения, задач больших языковых моделей, распознавания образов, оптимизации логистики и борьбы с мошенническими банковскими операциями. Ученые ожидают, что такие вычисления могут стать в сотни раз быстрее и энергоэффективнее современной электроники.
Читайте также:
Метаповерхность может улучшить ночное видение и инфракрасные камеры
Первый симулятор квантовых состояний на сверхпроводниках представили в МФТИ
Композитный лед в десять раз прочнее обычного может изменить строительство в Арктике