В МФТИ приступили к созданию поляритонных нанолазеров на основе двумерных дихалькогенидов и полупроводниковых нанопроводов. Проект открывает новые возможности для интегральной и нейроморфной фотоники и создания «фотонного мозга».
Одной из главных перспектив нового поколения поляритонных лазеров ученые считают создание «поляритонного мозга» — искусственной нейронной сети, имитирующей работу синаптически связанных биологических нейронов на сверхбыстрых скоростях благодаря световой составляющей, и при сверхнизком энергопотреблении, благодаря сильной связи света с веществом.
Исследователи из МФТИ совместно с коллегами из Алфёровского университета начали работу над созданием нового поколения энергоэффективных наноразмерных когерентных оптических источников. Ученые планируют объединить концепции плазмонного и поляритонного лазеров, что может радикально изменить подходы в области создания наноразмерной когерентной фотоники (она включает в себя технологии, использующие когерентные — связанные — световые волны, такие как лазеры, и используется в области связи, вычислений и сенсорики).
Плазмонные нанолазеры, известные также как спазеры (слово SPASER получается, если заменить Light на Surface Plasmon в акрониме LASER), были впервые созданы в начале 21 века. За два десятилетия технологии их производства значительно усовершенствовались, однако для работы спазеров требуется преодолеть пороговую мощность «накачки» энергией для реализации режима инверсной заселённости. Проще говоря, нужно подготовить систему так, чтобы она могла эффективно генерировать свет.
Поляритонные лазеры лишены этого ограничения и работают на принципе бозонной конденсации экситонных поляритонов, особых квазичастиц, одновременно имеющих свойства света и материи. В этом смысле поляритонный лазер похож на конденсат Бозе-Эйнштейна в охлаждённых до предельно низких температур атомных газах. При этом он существует при высоких температурах — вплоть до комнатных.
По словам ученых, синтез двух подходов к созданию лазеров позволит устранить «бутылочное горлышко» интегральной фотоники, связанное с энергоэффективностью.
Проект предполагает сотрудничество специалистов из Абрикосовского центра теоретической физики и экспериментаторов из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
«Перед нами стоит несколько задач, среди которых отработка технологии производства первых образцов и создание физической модели гибридных плазмон-экситон-поляритонных нанолазеров. Основные этапы работы включают достижение режима сильной связи, демонстрацию бозонного усиления рассеяния гибридных поляритонов и получение неравновесных бозонных конденсатов, излучающих когерентный свет. Ключевую роль в достижении поставленных целей играют двумерные полупроводники, моноатомные слои дихалькогенидов переходных металлов. Они обеспечивают режим сильной связи света с веществом при комнатной температуре, что крайне важно для приложений в нанофотонике», — рассказал Антон Налитов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики имени А.А.Абрикосова.
Успешное выполнение проекта также откроет новые возможности для фундаментальных исследований в области поляритоники.
«В сравнительно простых условиях оптической лаборатории неравновесные бозонные конденсаты поляритонов при комнатной температуре демонстрируют уникальные явления, такие как сверхтекучесть и квантовые вихри, аналогичные вихрям Абрикосова в сверхпроводниках. Переход к наноразмерным системам с сильной связью света и вещества может стать ключом к реализации квантовых многочастичных явлений, что сейчас является одной из главных целей в поляритонике», — добавил Антон Налитов.
Проект рассчитан на 3 года. На первом этапе будет создана физическая модель и первые образцы поляритонных наноструктур. На втором — ученые изучат режим сильной связи света с веществом в новых структурах. На третьем, завершающем этапе в наноструктурах исследуют поляритонные эффекты, бозонное усиление рассеяния и бозонную конденсацию.
Проект поддержан грантом РНФ № 25-12-00135.
3
