Международный коллектив ученых предложил и изучил новые способы применения поляритонов в технологиях второй квантовой революции. Обзор и исследование перспектив технологий опубликованы в журнале Nature Reviews Physics. Редакция ЗН представляет вам ключевые моменты этой статьи спустя два года после ее появления в Nature. Связано это с тем, что и сама научная статья, и обстоятельства ее появления на свет, и один из ее авторов (Алексей Кавокин, МФТИ) вызвали на днях большой интерес в отечественной пресс (см.ниже об этом во врезе). Кроме того, упомянем, что еще один автор этой статьи — профессор Сколтеха Павлос Лагудакис, лауреат престижнейшей премии «Вызов» 1923 года, получивший ее как раз за разработку фотонного транзистора на поляритонах.
С одной стороны, они характеризуются волновыми параметрами, такими как частота, поляризация, фаза и групповая скорость. С другой, они взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, друг с другом и могут образовывать конденсат Бозе — Эйнштейна при комнатной температуре, в то время как обычное вещество образует его лишь при сверхнизких температурах.
Современные квантовые технологии, такие как квантовая криптография или квантовые компьютеры, не получают пока широкого распространения из-за дороговизны систем охлаждения и техники, работающей при сверхнизких температурах. Поляритонные конденсаты могут решить эту проблему, а также преодолеть множество других технических сложностей.
Конденсаты поляритонов — это особые состояния вещества, которые обладают сверхтекучестью, формируют квантованные вихри, солитоны, характеризуются поляризационными текстурами и топологически защищенными потоками. Взаимодействия между ними вызывают сильную оптическую нелинейность, что позволяет создавать поляритонные конденсаты с помощью модуляторов пространственного света, настраивать их энергию, импульс и поляризацию, а также организовывать их в кластеры или регулярные решетки. Благодаря высокой контролируемости и возможности считывания их квантовых состояний с помощью современных инструментов оптической спектроскопии поляритонные конденсаты могут быть использованы для создания как классических, так и квантовых вычислительных сетей.
8 июля 2024 года профессор Кавокин во время празднования 130-летия Петра Капицы, состоявшегося на территории Физтеха (МФТИ), дал интервью корреспонденту агентства ТАСС, во время которого, в частности, сказал, что «недавно его работу приняли для публикации в Nature Physics, но для этого пришлось убрать аффилиацию МФТИ и воспользоваться тем, что в тот момент у меня еще была «китайская» аффилиация». Эти его слова вызвали бурную реакцию в российских СМИ и в блогосфере. Кто-то поспешил обратить внимание на то, что санкции распространяются и туда, куда они, по идее, не должны распространяться. Другие наблюдатели высказывались за то, что не стоит тогда публиковаться в том месте, в котором редакторы не оставляют возможности ученому указать его подлинную аффилиацию. Редакция ЗН, со своей стороны, хотела бы обратить внимание на три момента: что, во-первых, на самом деле публикация статьи была не в Nature Physics, а в Nature Reviews Physics (это разные журналы); что, во-вторых, это было не так уже недавно, а почти 30 месяцев назад; и, в третьих, что это блестящий научный обзор, который до сих пор нисколько не потерял своей актуальности. Всё остальное, на что обращают внимание многочисленные комментаторы, для науки имеет не так уж много значения.
Стимулированное (как правило, за счет первичного спонтанного заселения одного из квантовых состояний) рассеяние экситонных поляритонов в полупроводниковом микрорезонаторе приводит к аккумуляции многих тысяч поляритонов в данном квантовом состоянии, то есть к формированию конденсата.
Первые эксперименты по его получению были выполнены на часто используемых в микроэлектронике неорганических структурах, таких как арсенид галлия.
Схема получения поляритонного конденсата. Источник: Nature Reviews Physics
В последние годы конденсаты реализовали на многих других структурах.
Примеры современных структур, в которых наблюдаются поляритонные конденсаты. а) дихалькогениды переходных металлов, b) органический материал BODIPY-Br, c) органический материал mCherry Источник: Nature Reviews Physics
Исследовательская группа под руководством Алексея Кавокина из МФТИ в своей научной работе обобщила результаты научных исследований по всему миру в области управления поляритонами и создания поляритонных конденсатов за последние годы, опубликованные в 253 научных статьях. Ученые рассмотрели возможные практические применения новых поляритонных технологий.
«Современная поляритоника находится на полпути от изучаемых эффектов к приложениям, — объясняет Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Главными особенностями этой технологии являются легкая масса поляритонов и конечное время жизни, очень специфические взаимодействия между ними. Кроме того, она характеризуется возможностями управления формой конденсатов и контролем над направлением сверхтекучих токов оптическими методами, использованием квантовых эффектов при высоких температурах».
В первую очередь исследователи проанализировали новые материальные платформы, появившиеся в последние годы, с точки зрения реализации поляритонных технологий, оценили перспективы их развития, сложности в реализации и свели все в одну таблицу.
Новые материалы для поляритоники
| Материал | Преимущества | Недостатки | Перспективы |
| Дихалькогениды переходных материалов (TMDCs) и гетероструктуры Ван дер Ваальса | Экстремальное размерное квантование экситонных состояний, большие энергии связи экситонов, необычные эффекты спин-орбитального взаимодействия, работа при комнатной температуре, настраиваемые взаимодействия на основе ван-дер-ваальсовой технологии | Малый размер чешуек, образующихся при отслаивании, снижает скорость экситон-фотонной релаксации по сравнению с GaAs | Исследования транспортных и топологических эффектов, представляется возможной конденсация поляритонов с помощью инжекции постоянным током |
| Перовскиты | Достижимы высокие концентрации экситонов, режим сильной связи при комнатной температуре, возможность электронной инжекции в поляритонных лазерах | Большое неоднородное уширение экситонов, образцы со временем разрушаются | Применение наночастиц перовскита для создания квантовых излучателей света с использованием эффекта поляритонной блокады |
| Органические молекулы | Достижимы высокие концентрации, поляритонная конденсация и сверхтекучесть при комнатной температуре | Большое неоднородное уширение экситонов, образцы со временем разрушаются, электронная инжекция и пропускание электрического тока, трудно реализовать | Применение в логических и топологических схемах, а также решетках конденсатов при комнатной температуре |
| Жидкие кристаллы | Простая настройка параметров расщепления ТЕ-ТМ и оптического двулучепреломления. Электронное управление соответствующими спино-оптико-электронными и топологическими эффектами | Режим слабой связи в жидкокристаллических полостях, который может быть преобразован в сильную связь в гибридных полостях. Все еще высокая скорость дефазирования | Оптимизация гибридных структур, таких как микрорезонаторы из жидких кристаллов и перовскита, для применения в топологических поляритонных лазерах |
Оказалось, что очень перспективным направлением являются топологические изоляторы, сделанные с помощью поляритонных технологий. Это особые материалы, которые проводят ток на своей поверхности, но являются изоляторами внутри. Топологические изоляторы нужны для современных устройств памяти, наноразмерной электроники, спинтроники, а также из них можно изготавливать очень быстрые переключатели и транзисторы, необходимые для терагерцовой электроники.
Топологические изоляторы на основе поляритонных конденсатов. a) Иллюстрация поляритонной решетки. Информация обычно кодируется в интенсивности, вращении плоскости поляризации или фазе света. b) Схематическое изображение киральной краевой моды топологических поляритонов. Гибридное состояние света и материи (поляритон) движется по краю образца, защищенное от обратного рассеяния и рассеяния в объем. c) Схема реализации экситон-поляритонного топологического изолятора, в котором использована сотовая решетка связанных резонаторов. d) Сочетание эффективного спин-орбитального взаимодействия и наличия магнитного поля открывает топологическую щель. Источник: Nature Reviews Physics
На основе поляритонов можно создавать искусственные нейроны, нейроморфные вычислительные сети и обычные компьютерные нейронные сети. Но самое интересное — на их же основе можно делать поляритонные кубиты, работающие при комнатной температуре, что решает проблему дороговизны квантовых компьютеров.
Схема устройства поляритонного кубита. Источник: Nature Reviews Physics
Ученые сделали обзор разрабатываемых поляритонных платформ для квантовых и классических вычислений, исследовали перспективы и проблемы этих технологий. Результаты также были сведены в таблицу
Поляритонная платформа для классических и квантовых вычислений
| Приложения | Преимущества | Проблемы | Перспективы |
| Топологические поляритонные лазеры | Большая нелинейность и управляемые спин-орбитальные взаимодействия обеспечивают высокую гибкость технологии по сравнению с фотонными топологическими структурами. Решетчатые потенциальные ландшафтные технологии на широком спектре материальных платформ | Мощность поляритонных лазеров ограничена переходом Мотта. Роль взаимодействия и нелинейности и топологии в значительной степени не изучена | Разработка топологических поляритонных лазеров с электронной инжекцией, работающих при комнатной температуре, когерентное соединение большего массива отдельных лазеров с вертикальным излучателем |
| Нейроморфные поляритонные сети | Полностью оптический контроль динамики доменных границ, высокая масштабируемость, сверхбыстрые операции | Работа при комнатной температуре пока не показана, интерфейс с обычной электроникой еще предстоит разобрать | Разработка нейроморфных поляритонных сетей, интегрируемых в традиционную вычислительную среду |
| Квантовые вычисления | Поляритонные сверхтекучие жидкости сохраняют пространственную когерентность в течение чрезвычайно длительного времени. Оптическое считывание квантовых состояний – это просто, а масштабирование сетей с оптическим управлением — несложно | Запутанность, двухкубитные вентили еще предстоит продемонстрировать. Нелинейность, вызванная поляритон-поляритонными взаимодействиями, может влиять на отображение состояний кубита в виде сферы Блоха | Эксперименты по проверке концепции, демонстрирующие операции Паули и Адамара с конденсатами с расщепленным кольцом, затем демонстрация двухкубитных вентилей ISWAP и CNOT (контролируемых NOT) |
Кроме того, поляритоны открывают путь к дешевому и доступному созданию высокотемпературных сверхпроводников за счет сочетания фотонного и поляритонного механизмов.
Схема устройства поляритонного высокотемпературного сверхпроводника. Источник: Nature Reviews Physics
Исследования показывают, что сочетание фотонного и поляритонного механизмов сверхпроводимости приводит к резкому росту критической температуры. Теоретические оценки показывают возможный ее рост до температур около 140 кельвинов (около –130 °С), и это, возможно, далеко не предел. Но даже такое достижение открывает много возможностей для практического применения, так как обычные не слишком дорогие промышленные криогенные установки, используемые, например, для сжиженного природного газа, транспортировки и разделения атмосферных газов, охлаждения электронных устройств и реакторов, в медицине — позволяют получать низкие температуры вплоть до –150 °С. Ввиду множества проблем, связанных с производством и эксплуатацией обычных сверхпроводников, поляритонные сверхпроводники могут оказаться самым перспективным вариантом с точки зрения доступности и дешевизны изготовления.
В 2017 году была впервые продемонстрирована сверхтекучесть конденсата поляритонов при комнатных температурах. В ближайшие годы ожидается бурное развитие приложений поляритонных технологий во всех перечисленных областях. Над этим сейчас работают несколько десятков исследовательских групп по всему миру, взаимодействующих между собой.
В работе над обзором и исследованием перспектив приложений поляритонных технологий принимали ученые из МФТИ, Сколтеха, а также их коллеги из Сингапура, Германии, Китая и Великобритании.
2
