Физики добились субпикосекундного переключения бозе-конденсата при комнатной температуре
Китайские физики сообщили о том, что им удалось при комнатной температуре переключить состояния сконденсированных экситон-поляритонов с помощью света за время, не превышающее одну пикосекунду. В будущем этот результат может быть использован при разработке оптоэлектронных устройств, работающих на терагерцовых частотах. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Полупроводниковая электроника по сей день остается единственной массовой платформой для цифровой вычислительной техники. Количество транзисторов на кристалле, производительность и тактовая частота процессоров росли экспоненциально весь прошлый век, однако в XXI столетии электроника начала достигать своих физических пределов.
В качестве одного из направлений дальнейшего развития ученые рассматривают оптические вычислители, в которых распространение света придет на смену распространению электрического тока. Предполагается, что такие компьютеры будут обладать большей тактовой частотой, а линии передачи данных — более высокой пропускной способностью. Однако массовый переход к чисто фотонной архитектуре невозможен без развития гибридных, электрон-фотонных вычислительных систем. Перспективными кандидатами для оптоэлектронных приложений выглядят экситонные поляритоны — квазичастицы, с помощью которых описывают постоянное превращение фотона, распространяющегося в полупроводнике, в связанную электрон-дырочную пару. Подробнее об этом типе возбуждения читайте в материале «Квантовые кентавры».
Замечательной особенностью этих квазичастиц стала их малая эффективная масса и целочисленный спин (то есть бозонная статистика), что позволило ученым получить на их основе бозе-эйнштейновский конденсат даже при комнатной температуре. Конденсация экситонных поляритонов сделала среду сильно нелинейной, что остается крайне необходимым условием для создания фотонных микросхем, так как в обычных условиях фотоны не взаимодействуют друг с другом. Не так давно мы рассказывали, как поляритонный конденсат позволил получить нелинейный отклик при комнатной температуре всего от одного фотона.
Другое «комнатное» свойство сконденсированных экситонных поляритонов — сверхбыстрый отклик — экспериментально реализовала группа китайских физиков под руководством Хуэй Ли (Hui Li) из Восточно-китайского педагогического университета. Они показали, что состояние конденсата, образующегося в резонаторе под действием оптической накачки, может быть разрушено всего за сотни фемтосекунд под действием контролирующего оптического импульса. Такие времена необходимы для достижения терагерцовых тактовых частот.
Для этой цели физики направляли короткие лазерные импульсы с длиной волны 350 нанометров на микростержень из оксида цинка, имеющий сечение в форме шестиугольника с гладкими гранями. Высокое качество образца делало из него резонатор типа шепчущей галереи с радиусом порядка 1,8 микрометра, в то время как шестигранная структура поддерживала несколько шепчущих мод. Энергия фотонов накачки существенно превышала запрещенную зону в оксиде цинка, из-за чего образующиеся непосредственно после облучения поляритоны обладали большой энергией. Со временем они релаксировали в несколько низкоэнергетических состояний, в которых, начиная с некоторого порога, происходила конденсация. Она проявляла себя в характере фотолюминесценции: сконденсированные экситон-поляритоны излучали яркий свет вдоль направления накачки с энергиями фотонов, равными энергиям поляритонов одной или нескольких нижних ветвей. Вспышка при этом длилась несколько пикосекунд и имела длинный хвост.
Затем ученые стали сопровождать импульс накачки контрольным импульсом с удвоенной длинной волны. Развитая ими теория показала, что в этом случае происходит вынужденное параметрическое рассеяние фотонов на поляритонах, которое приводит к рождению двух дополнительных фотонов с длиной волны 700 нанометров. Поскольку поляритоны находятся в состоянии конденсата, это происходит со всеми квазичастицами в короткий (несколько сотен фемтосекунд) промежуток времени. Другими словами, конденсат практически полностью исчезает, хотя впоследствии частично восстанавливается через 3-4 пикосекунды. Конкретные временные отрезки зависели от интенсивностей импульсов и интервала между ними.
Модель, построенная с помощью численного решения уравнения Гросса — Питаевского, оказалась в хорошем согласии с результатами эксперимента. Она подтвердила механизм образования конденсата, а также его разрушения. Согласно ей конденсат снова частично восстанавливается из-за остаточных высокоэнергетических экситон-поляритонов.
Сами авторы отмечают, что к практическому преимуществу предложенного ими механизма переключения можно отнести низкое энергопотребление. Так, интенсивности накачивающего и контрольного импульсов были равны десятым долям и единицам миллиджоуля на квадратный сантиметр при фокусировке в пятна диаметрами 4 и 16 микрометров, соответственно.
Ранее мы рассказывали, как свет и терагерцовое излучение помогли ускорить время переключения бита на основе магнитного состояния и электрического сопротивления. Магнитные биты также научились переворачивать с помощью спин-поляризованного тока.
Марат Хамадеев
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».
