Для обработки, кодирования и передачи информации в компьютерах и смартфонах сегодня используется электричество. Но этот способ несовершенен: электроника нагревается и поэтому расходует много энергии, а еще ограничена в скорости работы. Решить проблемы можно, если вместо электронов для кодирования информации использовать частицы света — фотоны. Фотонные устройства меньше греются, потребляют меньше энергии и при этом работают быстрее, не теряя в качестве передачи данных.

Чтобы создать фотонные устройства, ученые разрабатывают оптические системы, которые интегрируются на чип. Для этого можно использовать тонкий волновод — слой диэлектрика с высоким показателем преломления, который локализует и удерживает в себе свет. Если в структуру добавить слой полупроводника, то на таком чипе можно генерировать экситон-поляритоны. Это гибридные квазичастицы, которые объединяют в себе свойства света и вещества и позволяют производить вычисления на основе оптики, а не электроники.

Однако изучать такие частицы и управлять ими сложно, потому что они «заперты» в волноводе и не излучают свет в свободное пространство. Чтобы решить эту проблему, физики стараются создавать добротные фотонные структуры — то есть такие метаповерхности, которые могли бы выводить свет в свободное пространство. Для изготовления таких структур нужно использовать сложные и дорогостоящие методы. Кроме того, для экспериментов ученым приходится использовать микроскопы, у которых есть различные ограничения в работе: например, заводить свет в образец можно только под определенным углом, а чтобы визуализировать связь света и вещества, требуются длительные измерения.

Что придумали в ИТМО

Ученые ИТМО предложили свой подход к изучению и управлению волноводными экситон-поляритонами с помощью призмы твердой иммерсии. Благодаря новому методу исследователи за несколько миллисекунд могут увидеть, как свет взаимодействует с веществом внутри волновода, и управлять этим процессом.

Для этого физики добавили к образцу волновода двумерный полупроводник из однослойного дихалькогенида переходного металла WS₂, а также использовали линзу твердой иммерсии из селенида цинка (ZnSe) с высоким показателем преломления света. Благодаря этому исследователи смогли визуализировать волноводные экситон-поляритоны, а также управлять силой связи света и вещества, изменяя расстояние между плоской поверхностью линзы и образцом.

Кроме того, путем контролируемого изменения силы связи света и вещества ученые смогли исключить влияние дефектов в полупроводнике на свойства волноводных экситон-поляритонов при комнатной температуре.

Что дальше

На основе предложенного метода можно создать микроскоп, который позволит быстро и неинвазивно изучать экситон-поляритоны в оптических чипах. Устройство будет полезно для создания и исследования новых сверхкомпактных устройств для оптической обработки информации на фотонных чипах, в том числе — фотонного компьютера.

«В своем исследовании мы показали новый физический эффект, при котором использование экситон-поляритонов в волноводе позволяет уменьшить влияние дефектов в полупроводнике на его оптические свойства. Мы продемонстрировали, как можно управлять этим эффектом, контролируя расстояние между линзой твердой иммерсии и волноводом. В будущем мы планируем использовать линзы с более высоким показателем преломления. Это позволит изучать структуры, которые сильнее удерживают свет и при этом обладают меньшим объемом», — рассказал один из авторов исследования, аспирант третьего курса Нового физтеха Валерий Кондратьев.

Работа поддержана Российским научным фондом и программой «Приоритет-2030». 

Статья: Valeriy Kondratyev, Dmitry Permyakov, Tatyana Ivanova, Ivan Iorsh, Dmitry Krizhanovskii, Maurice Skolnick, Vasily Kravtsov, Anton Samusev. Probing and Control of Guided Exciton–Polaritons in a 2D Semiconductor-Integrated Slab Waveguide (Nano Letters, 2023).