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