Жидкий свет: новое квантовое состояние, которое может привести к революции вычислительных методов

Свет — это не только поток фотонов, но и сложный квантовый объект, который может образовывать различные состояния и фазы. Одним из таких состояний является квантовая жидкость света, или поларитонный конденсат. Это состояние возникает, когда свет сильно взаимодействует с материей и образует гибридные частицы — поларитоны. Поларитоны — это квазичастицы, которые имеют свойства как света, так и материи. Они могут существовать в виде когерентного коллективного состояния, подобного сверхтекучести или сверхпроводимости. Такое состояние называется поларитонным конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Поларитонные конденсаты представляют большой интерес для физиков и инженеров, так как они могут быть использованы для создания новых типов устройств, основанных на квантовой жидкости света. Такие устройства могут работать с очень высокой скоростью и эффективностью, используя только свет в качестве носителя информации. Однако для реализации таких устройств необходимо иметь возможность управлять пространственным распределением, плотностью и энергией поларитонных конденсатов. Это не так просто сделать, так как поларитоны — это очень чувствительные квантовые объекты, которые легко теряют свои свойства при воздействии внешних факторов.

Недавно группа физиков из Сколковского института науки и технологии (Сколтех) сделала значительный прорыв в области управления квантовой жидкостью света при комнатной температуре. Они предложили новый подход для активного пространственного контроля поларитонных конденсатов без использования обычных методов возбуждения поларитонов. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследователи использовали органический микрорезонатор — тонкую пленку из полупроводникового материала, заключенную между двумя зеркалами. В таком резонаторе свет может быть заперт на долгое время и сильно взаимодействовать с электронами в полупроводнике, образуя поларитоны. Однако для того, чтобы создать поларитонный конденсат, необходимо подавать на резонатор достаточно интенсивный лазерный пучок определенной длины волны. Это ограничивает возможности управления формой и расположением конденсата внутри резонатора.

Чтобы преодолеть это ограничение, ученые добавили в резонатор дополнительный слой из кополимера, который не резонирует с поларитонами, а слабо связан с ними. Этот слой имеет свойство поглощать свет при двух разных длинах волны — одной, которая соответствует поларитонам, и другой, которая не соответствует. При этом поглощение света зависит от его интенсивности: чем сильнее свет, тем меньше он поглощается. Это явление называется насыщением поглощения.

Используя два лазерных пучка разных длин волны, ученые смогли частично насытить поглощение света в кополимерном слое и тем самым изменить его эффективный показатель преломления. Это привело к тому, что поларитоны стали испытывать дополнительное пространственное воздействие от кополимера, которое можно было контролировать с помощью лазеров. Таким образом, ученые смогли формировать поларитонный конденсат в виде кольца в центре резонатора, а также менять его размер, форму и энергию.

Кроме того, ученые обнаружили, что кополимерный слой также влияет на потери поларитонов. При насыщении поглощения света в кополимере возникает дополнительный механизм рассеяния света, называемый поглощением в возбужденном состоянии. Это явление приводит к тому, что поларитоны быстрее теряют свою энергию и выходят из резонатора. Это означает, что кополимерный слой может быть использован для локального управления диссипацией поларитонов.

Сочетание этих двух механизмов — модуляции показателя преломления и диссипации — позволило ученым достичь безпрецедентного контроля над квантовой жидкостью света при комнатной температуре. Это открывает новые перспективы для создания высокоскоростных и эффективных устройств на основе поларитонов, которые могут выполнять различные логические операции с помощью света.

«Этот прорыв открывает новую эру органических поларитонных платформ, призванных заложить прочную основу для области вычислений на основе жидкого света при амбиентных условиях. Овладевая удивительными свойствами сильного взаимодействия света и материи, мы можем раскрыть весь потенциал поларитонов и освободиться от ограничений традиционных архитектур резонаторов. Мы становимся свидетелями будущего технологий, которое разворачивается перед нашими глазами», — говорит Антон Путинцев, научный сотрудник лаборатории гибридной фотоники Сколтеха и главный автор работы.