Широко известно, что транзисторы, без которых невозможно представить себе современную человеческую цивилизацию, работают за счет управляемого движения по ним электронов. Электрический ток используется для обработки, кодирования и передачи информации в компьютерах, смартфонах, телевизорах и многих других устройствах. Этот метод использовался десятилетиями, однако у него есть ряд недостатков: во-первых, как всем хорошо известно, электроника греется при работе, то есть часть энергии тратится не на полезную работу, а на паразитный нагрев; для борьбы с этим нагревом приходится оснащать устройства вентиляторами, то есть тратить еще больше энергии; кроме того, скорость электронных устройств имеет свои ограничения.
Часть этих проблем можно решить, если использовать вместо электронов частицы света — фотоны. Устройства, в которых для кодировки информации можно будет использовать свет, будут меньше греться, потреблять меньше энергии и при этом работать быстрее. Именно поэтому проблемой создания оптических компьютеров занимаются сейчас по всему миру. Однако работа над их созданием идет не так быстро, как хотелось бы, в том числе потому, что просто заменить электроны на фотоны в транзисторе не получится.
«Проблема в том, что фотоны, в отличие от электронов, друг с другом не взаимодействуют, фотон не управляет фотоном. Именно поэтому сделать транзистор только на фотонах очень сложно», — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Василий Кравцов.
Василий Кравцов. Фото: ITMO.NEWS
Две частицы по цене одной
Ученые всего мира по-разному предлагают «обучать» фотоны взаимодействовать друг с другом. Один из таких способов — связать фотоны с другими частицами. Группа ученых, среди которых сотрудники Нового физтеха Университета ИТМО, предложили новую эффективную реализацию, где фотоны связываются с экситонами в однослойных полупроводниках. Эти исследования велись в рамках работы над мегагрантом, реализуемым совместно с учеными из университета Шеффилда.
«Экситоны — это элементарные возбуждения в твердом теле, — рассказывает Василий Кравцов, который является соавтором работы. — Они возникают, когда электрон возбуждается и оставляет за собой незаполненную валентную связь, или дырку, имеющую, как и ядро атома, положительный заряд. Электрон и дырка могут взаимодействовать между собой, образуя подобие атома — это и есть экситон. У этих экситонов есть дипольный момент, проще говоря, плюс и минус, которые позволяют им взаимодействовать с другими такими же частицами. Если экситон связать с частицами света, то получим поляритон. Поляритон будет отчасти светом, с его помощью можно будет быстро передавать информацию, и в то же время он будет хорошо взаимодействовать с другими такими же частицами».
Казалось бы, поляритоны решают проблему: нужно просто создать транзистор на их основе. Однако все не так просто. Необходимо создать систему, в которой такие частицы существовали бы достаточно долго и при этом имели бы высокие показатели взаимодействия.
Иллюстрация экспериментальных структур. Изображение предоставлено физико-техническим факультетом
Ловушки для света
В лабораториях Нового физтеха Университета ИТМО поляритоны получают с помощью лазера, волновода и тончайшего слоя полупроводника, состоящего из атомов диселенида молибдена.
Пластинку полупроводника толщиной всего в три атома кладут на волновод, созданный из оптического материала, на поверхности которого особым образом вырезана сетка из тончайших канавок. После этого на эту систему светит красный лазер, который создает в полупроводнике экситоны, которые сильно связываются с частицами света, образуя поляритоны. Последние, в свою очередь, на некоторое время оказываются «заперты» в сетке канавок волновода.
«Волновод структурирован специальным образом, чтобы, грубо говоря, создавать ловушку для света, — поясняет соавтор работы Федор Бенимецкий. — Представьте два зеркала, расположенных друг напротив друга, при некоторых условиях свет определенной длины волны будет задерживаться между ними. В нашем случае роль этих двух зеркал играет наш волновод. Свет проходит через слой полупроводника, создавая в нем при некоторых обстоятельствах поляритоны, которые являются частично светом, частично экситонами. За счет геометрии волновода эти гибридные частицы “живут” сравнительно долго».
Федор Бенимецкий. Фото: ITMO.NEWS
Получившиеся поляритоны не только существуют достаточно долго, но и имеют сверхвысокие показатели нелинейности, то есть активно взаимодействуют друг с другом.
«Нам удалось показать, что у полученных частиц есть довольно большая нелинейность, — уточняет Василий Кравцов. — То есть поляритон может взаимодействовать с поляритоном, они могут рассеиваться друг на друге. Мы получили самые большие величины нелинейности для таких материалов. Это напрямую приближает нас к созданию оптического транзистора: у нас есть планарная платформа, которую можно интегрировать в чип толщиной меньше 100 нанометров. Поскольку показатели взаимодействия частиц большие, то нам не нужно устанавливать мощный лазер, достаточно небольшого источника красного света, который также можно интегрировать на чипе».
Впрочем, пока говорить о создании чипа рано, на очереди новые исследования. Ученым предстоит показать, что такая система работает при комнатной температуре, ведь пока эксперименты проводились при температурах ниже минус 120 градусов по Цельсию. Кроме того, необходимо еще больше продлить «жизнь» поляритонов в системе.
Статья: Vasily Kravtsov, Ekaterina Khestanova, Fedor A. Benimetskiy, Tatiana Ivanova, Anton K. Samusev, Ivan S. Sinev, Dmitry Pidgayko, Alexey M. Mozharov, Ivan S. Mukhin, Maksim S. Lozhkin, Yuri V. Kapitonov, Andrey S. Brichkin, Vladimir D. Kulakovskii, Ivan A. Shelykh, Alexander I. Tartakovskii, Paul M. Walker, Maurice S. Skolnick, Dmitry N. Krizhanovskii & Ivan V. Iorsh, «Nonlinear polaritons in a monolayer semiconductor coupled to optical bound states in the continuum», Light: Science & Applications volume 9, 2020
