Обойти парадокс Клейна: в ИТМО придумали, как использовать гибридные частицы света для сверхбыстрых оптических чипов

В физике существует явление, которое называют парадоксом Клейна: оно описывает поведение частиц, почти не имеющих массы и движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Такие частицы не удерживаются барьерами, а проходят сквозь них, поэтому их нельзя «поймать» в ловушку и удержать в одном месте. С развитием фотоники это ограничение перетекло из теоретического в практическое. Чтобы создавать оптические компьютеры, нужно уметь надежно удерживать световые сигналы в нужной точке, чтобы они не пролетали насквозь и успевали обработать информацию, а затем обрабатывать их в крошечных участках чипа.

Команда ученых Нового физтеха ИТМО совместно с коллегами из МФТИ, Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Технического университета Дортмунда в Германии решила задачу удержания света с помощью гибридных частиц — экситон-поляритонов. Они возникают, когда свет (фотон) объединяется с возбуждением перовскита (экситоном) в метаповерхности. Эти гибриды по своим свойствам похожи на безмассовые частицы, которые могут очень быстро переносить информацию. 

«В работе мы использовали пленку из перовскита — мягкого и гибкого материала, который гораздо проще и дешевле в обработке, чем подавляющее большинство полупроводников, применяемых в современной фотонике. Он нужен нам, чтобы создавать условия для рождения гибридных частиц света — поляритонов. На перовските можно, как на пластилине, отпечатать нужный узор, и при этом в таких пленках даже 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», — объяснил директор Института фотоники и главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров.

В ходе эксперимента исследователи направили сверхкороткий лазерный импульс в крошечную точку на метаповерхности. Она была нужна, чтобы создать условия, при которых поляритоны не разлетаются. 

«Свет попадает в маленькое лазерное пятно и возбуждает там перовскит. Внутри этой области рождаются поляритоны — но вырваться за пределы этой области они уже не могут. За границами лазерного пятна материал остается невозбужденным, "спящим". Мы как будто породили джинна и тут же заперли его в бутылке, не дав ему улететь. Этот баланс притока и потерь энергии создает особые условия, которые позволяют обойти парадокс Клейна и удержать частицы в ловушке», — поделился ведущий теоретик исследования, ведущий научный сотрудник МФТИ Антон Налитов. 

С помощью спектрометра — прибора, раскладывающего свет по цветам, — ученые увидели, что пойманные поляритоны образовали четкие энергетические уровни. Поэтому на выходе из перовскитной пленки свет разделился на несколько цветных лучей. Это доказывает, что поляритоны действительно заперты в ловушке и занимают строго определенные состояния, а не разлетаются хаотично.

«Фундаментальное открытие имеет перспективы в сфере фотонных вычислений. Нейросети и задачи ИИ требуют огромных мощностей, а обычные процессоры тратят на это слишком много энергии, превращая ее в тепло. Метаповерхности, подобные нашей, могут решать такие задачи напрямую светом: пока электроны бегают по проводам между транзисторами и памятью, нагревая чип в обычных компьютерах, в нашем случае свет будет пролетать сквозь структуру за доли наносекунды и выполнять сложные вычисления с минимальными энергозатратами», — рассказал Сергей Макаров.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» в рамках фокусировки ИТМО на фотонных вычислениях. В дальнейшем ученые планируют интегрировать такие перовскитные метаповерхности в дифракционные нейронные сети — оптические схемы, где свет сам выполняет вычисления, проходя через несколько слоев с микроскопическими узорами, как нейросеть обрабатывает информацию. Если удастся разместить множество таких «ловушек» на компактном чипе площадью около квадратного сантиметра, это позволит создать оптические вычислители, способные, например, выполнять операции векторно-матричного умножения для задач больших языковых моделей, распознавания образов, оптимизации логистики и борьбы с мошенническими банковскими операциями. Вычисления станут в сотни раз быстрее и энергоэффективнее современной электроники.