Как связать вещество и свет

В физике конденсированных сред существует особое состояние материала, которое называется экситон-поляритон. Оно возникает за счет сильной связи света и вещества — фотона и экситона. Последним называют связное состояние электрона и дырки (квазичастица с положительным зарядом), которые могут свободно перемещаться в полупроводнике. Когда связанные электрон и дырка — пара частиц с противоположными зарядами — «падают» друг на друга, то экситон аннигилирует и излучает фотон с резонансной энергией (частотой) экситона.

Если поместить экситонный материал в резонатор, настроенный на эту резонансную частоту, то экситон будет рекомбинировать, рождать фотон, а тот, в свою очередь, не сможет покинуть резонатор и будет снова поглощаться материалом, рождая экситон — и так по кругу. Такое перерождение фотона в экситон и обратно образует новое связное состояние, которое и называется экситон-поляритоном. Для исследователей оно интересно тем, что обладает одновременно свойствами света (низкой эффективной массой, оптическим откликом) и вещества (способностью взаимодействовать с другими поляритонами, обеспечивая нелинейность и другие).

Обычно в качестве экситонного материала используют квантовые ямы на основе полупроводников GaAs, GaN или двумерные материалы из элементов переходных металлов и элементов халькогена, но их трудно производить и масштабировать. Чтобы связать свет и вещество в материале, в качестве резонаторов используют многослойные брэгговские зеркала, но чтобы создавать их, необходимо применять сложные методы. Кроме того, у таких зеркал большие размеры и пока их применяют в основном в лабораториях. По этим причинам создавать экситон-поляритонные системы сегодня все еще довольно сложно. При этом они остаются весьма интересным объектом для нелинейной оптики, так как могут вызывать сильные нелинейные изменения физических свойств материала (показатель преломления, коэффициент пропускания и другие) и позволяют создавать низкопороговые лазеры, которые не требуют больших энергий для питания.

Что придумали ученые

Чтобы решить эти проблемы, ученые ИТМО совместно с коллегой из Англии предложили связывать свет и вещество в перовскитных материалах. Преимущество таких материалов в том, что они обладают поляронными эффектами. За счет них экситон-поляритон искривляет кристаллическую решетку вокруг себя, тем самым создавая больший радиус взаимодействия поляритонов. Таким образом, поляронные эффекты выгодно модифицируют экситон-поляритонные состояния — благодаря этому можно наблюдать экситон-поляритон при высоких и даже комнатных температурах (а это редкость), а также увеличенную оптическую нелинейность, благодаря которой работают разные полностью оптические устройства: транзисторы и логические элементы, преобразователи излучения и другие.

В своей работе ученые ИТМО показали, что в качестве резонатора для экситон-поляритонов можно использовать плоскую фотонно-кристаллическую пластину из перовскита. Для ее создания исследователи использовали метод наноимпринта: с помощью штампа-решетки деформировали поверхность поликристаллической пленки перовскита MAPbI3 и получили реплику. Такая поляритонная система имеет ряд преимуществ перед брэгговскими резонаторами. Во-первых, ее недорого делать: реактивы для получения перовскита дешевые, сам штамп — тоже, а еще его можно использовать повторно. Во-вторых, с системой можно работать на плоскости, а это более эффективно для создания некоторых устройств — например, фотонного чипа, который как раз преимущественно работает именно в плоскости. Кроме того, здесь нет необходимости использовать резонатор — перовскит,  сам по себе активный экситонный материал, одновременно выступает резонатором для себя же.

«В такой поляритонной системе нам удалось измерить рекордную на сегодняшний день величину так называемого поляритонного синего сдвига. Это можно представить следующим образом: наша перовскитная решетка работает почти так же, как и дифракционные решетки — отражает каждую длину волны света (или цвет) под определенным углом. Если мы под каким-то конкретным углом поставим детектор, который может измерять длину волны падающего света (спектрометр), то при облучении нашего образца мы увидим на детекторе свет определенной длины волны — например, красный. Затем, если мы облучим наш образец лазером с определенной длиной волны под определенным углом, рождая поляритоны, то они, благодаря сильному нелинейному взаимодействию друг с другом, изменят ту самую длину волны, и вместо красного цвета мы увидим оранжевый. Это и называется поляритонным синим сдвигом, величина которого в нашей системе является рекордной. При этом скорость изменения данного цвета может составлять десятки пикосекунд — это позволит обеспечить частоту более 100 ГГц для работы оптических вычислительных устройств на основе данного эффекта», — рассказывает один из авторов исследования и младший научный сотрудник Нового физтеха Михаил Машарин. 

Где можно применить результаты исследования

Такие оптические нелинейности, реализованные на базе перовскитов и дешевых технологических методов, в перспективе можно использовать в самых разных оптических системах: от детекторов до оптических транзисторов, — и применять для кодирования, передачи и обработки информации полностью оптическим методом. В отличие от обычных электронных транзисторов, которые не всегда эффективны, перегреваются и достигли своего фундаментального предела по числу элементов на единицу площади, а также быстродействию, у оптических транзисторов нет этих ограничений. Теоретически несколько таких транзисторов можно связать между собой в одну большую микро- или наносхему и использовать ее как компонент оптического компьютера. 

Статья: Mikhail A. Masharin, Vanik A. Shahnazaryan, Fedor A. Benimetskiy, Dmitry N. Krizhanovskii, Ivan A. Shelykh, Ivan V. Iorsh, Sergey V. Makarov, and Anton K. Samusev (Nano Letters, 2022)