Основным практически значимым преимуществом поляритонных лазеров на сегодняшний день является их крайне низкое энергопотребление. Работа обычного лазера основана на эффекте стимулированного излучения: если в электрон, находящийся в возбужденном высокоэнергичном состоянии попадает фотон, электрон «сваливается» в низкоэнергетичное состояние, и вылетают два фотона, идентичных падающему. Каскад таких процессов приводит к образованию большого числа идентичных, когерентных фотонов, формирующих лазерное излучение.
Для установления режима лазерной генерации необходимо выполнение условия инверсии заселенности: концентрация электронов на высокоэнергетичном уровне должна быть выше, чем на низкоэнергетичном. Таким образом необходимо «вкачать» в систему дополнительную энергию, необходимую для заброса достаточного количества электронов на высокоэнергетические уровни. Минимальное количество энергии, необходимое для установления лазерного излучения, и называется порогом генерации: эта величина в частности определяет минимальное энергопотребление лазера.
Существует и другой процесс излучения, которое называется спонтанным: при этом электрон на высокоэнергетичном уровне может в случайный момент времени испустить фотон и свалиться в низкоэнергетичное состояние. Проблема со спонтанным излучением в том, что вылетающие фотоны в общем случае некогерентны: фаза фотона случайна. Эту проблему можно бы было обойти, если можно было бы поместить все электроны в одно квантомеханическое состояние, тогда и вылетающие фотоны бы были одинаковые. К сожалению, с электронами так не получится, им запрещено занимать одно квантомеханическое состояние согласно так называемому принципу запрета Паули для частиц со спином равным полуцелым числам.
В поляритонных лазерах этот запрет обходится следующим образом: электроны в таких системах, взаимодействуя друг с другом и со светом, образуют комозитные частицы, экситон поляритоны. У экситон-поляритонов спин уже целый, и поэтому запрет Паули на них не действует, и при низких температурах они могут все занять одно квантомеханическое состояние. Такое состояние, в котором находится большое число частиц, называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. Далее, если поляритоны могут исчезать из конденсата, спонтанно излучая фотоны, вылетающие через зеркала резонатора лазера, то выходное излучение будет когерентным, точь-в-точь как в обычном лазере. Вот только никакого порога генерации достигать уже не нужно! В реальности, конечно, какую-то энергию в систему все-таки закачать нужно, но она значительно (на пару порядков) меньше, чем в обычных полупроводниковых лазерах.
Первые поляритонные лазеры были реализованы в начале двухтысячных: они работали при сверхнизких температурах (несколько Кельвинов), и их самих необходимо было накачивать лазером.
За прошедшие годы обе проблемы были решены: в 2013 году был продемонстрирован поляритонный лазер, работающий при комнатной температуре и электрической накачке. Оставалась проблема контроля поляризации выходящего излучения.
«Обычно в поляритонном лазере образуются два конденсата Бозе-Эйнштейна: у одного поляритоны находятся с направлением спина вверх, а у других – вниз. Оба конденсата излучают независимо: в итоге поляризация выходящего света является линейной, а направление поляризации случайной во времени величиной. Если бы удалось накачивать преимущественно один конденсат, это позволило бы, во-первых, получать стабильное цикркулярно-поляризованное излучение, а во-вторых, позволило бы дополнительно понизить порог генерации и, следовательно, снизить энергопотребление. Такую спин-селективную накачку довольно просто реализовать оптически, а вот электрическая спин-поляризованная накачка пока реализована не была», – прокомментировал один из авторов статьи, доцент кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Иван Иорш.
Именно это и сделали ученые в составе международной группы, куда вошли также физики из Мичиганского университета, Наньянского технологического университета, Саутгемптонского университета и Санкт-Петербургского государственного университета. Для этого исследователи использовали в структуре лазера ферромагнитный материал в качестве контактов. Он, в свою очередь, формировал магнитное поле. Таким образом, электроны, поступающие в такую систему, имели обусловленную ферромагнетиком спиновую поляризацию, которая сохранялась и у поляритонов, формирующих конденсат. Это привело к стабильной эллиптической поляризации выходного излучения и снижению порога.
Также, управляя спином с помощью магнитного поля в контактах, можно управлять поляризацией света. Таким образом, можно кодировать оптический сигнал через электрический. В такой кодировке направление поляризации будет выполнять роль нолей и единиц, и реализовать это можно будет на чипе с очень низким энергопотреблением, который работает при комнатной температуре.
Результаты исследования были продемонстрированы в ходе эксперимента, который проводился в Мичиганском университете. Команда Университета ИТМО и Санкт-Петербургского государственного университета проводила моделирование работы системы.
«Эксперимент полностью подтвердил предсказанное в ходе моделирование поведение поляритонного лазера с накачкой спин-поляритонов. Всегда удивительно видеть, как эксперимент подтверждает теоретическое предсказание. Мы ожидали, что эффект "бозонного усиления" должен сработать и для спинов. До последнего времени эти предсказания оставались на бумаге, но работа группы из Мичигана подтвердила их справедливость. Обнаруженный эффект очень важен для спинтроники – науки о том, как кодировать информацию не электрическим зарядом, а спином. Главной проблемой спинтроники является неизбежная спиновая релаксация, то есть потеря спиновой поляризации электронов за счет их взаимодействия с кристаллической решеткой. Мы продемонстрировали обратный эффект – рост и усиление спиновой поляризации. Этот эффект открывает принципиально новые возможности приборных приложений», – прокомментировал другой автор статьи, научный руководитель Исследовательской лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева Алексей Кавокин.
Он добавил, что очень перспективное направление развития науки в области поляритонных лазеров – это квантовые симуляторы, основанные на решетках поляритонных конденсатов. Сейчас идет гонка за создание первого квантового процессора. Лаборатория искусственного интеллекта компании Google собрала вместе 49 кубитов, группы Михаила Лукина в Гарварде – 51 кубит. Наверняка, рубеж сотни кубитов будет преодолен в ближайшие месяцы. Однако практическое применение таких систем сильно ограничено: процессор Google, основанный на сверхпроводниках, работает при сверхнизких температурах (ниже одного градуса Кельвина), а кубиты Михаила Лукина построены на холодных атомах, удержать которые вместе можно лишь в лабораторных условиях.
«В этом контексте, поляритоны предлагают альтернативную платформу для квантовых вычислений. Платформа эта полупроводниковая. Полупроводниковые структуры относительно дешевы, их легко интегрировать в существующие компьютерные процессоры. Самое главное, как показала наша работа с группой из Мичигана, поляритонные конденсаты прекрасно себя чувствуют при комнатной температуре. Я убежден, что полупроводниковая платформа для квантовых технологий может быть создана в России за короткий срок. И здесь мы могли бы обогнать Google!» – добавил Алексей Кавокин.
По его мнению, в будущие два-три года поляритонные лазеры, вероятно, уже будут применяться на практике. Прежде всего это касается возможности создания макроскопических многочастичных волновых функций при комнатной температуре. Применение поляритонных лазеров для квантовых вычислений одно из самых перспективных.
Статья: Room Temperature Spin Polariton Diode Laser, Aniruddha Bhattacharya, Md Zunaid Baten, Ivan Iorsh, Thomas Frost, Alexey Kavokin, Pallab Bhattacharya, 2017, Physical Review Letters.
