Группе ученых, в числе которых исследователи из ИТМО, МФТИ и их зарубежные коллеги, впервые удалось зафиксировать сверхбыстрые гибридные частицы света, которые ранее считались неуловимыми. В рамках эксперимента физики применили фемтосекундный лазер и тонкую метаповерхность с микроскопическим узором, создающую условия для удержания этих частиц. В будущем это открытие может привести к разработке оптических вычислителей, способных обучаться и работать в сотни раз быстрее современной электроники.
В физике существует явление, известное как парадокс Клейна, которое описывает поведение частиц с крайне малой массой, движущихся со скоростью, близкой к световой. Эти частицы не задерживаются барьерами, а проходят сквозь них. Для создания оптических компьютеров необходимо надежно удерживать световые сигналы в определенной точке, чтобы они могли обрабатывать информацию и взаимодействовать в микроскопических участках чипа.
Международная исследовательская группа, включающая сотрудников Нового физтеха ИТМО и МФТИ, решила проблему удержания света с помощью гибридных частиц – экситон-поляритонов. Эти частицы возникают при объединении света (фотона) с возбуждением перовскита (экситоном) на метаповерхности. По своим свойствам они похожи на безмассовые частицы, способные быстро передавать информацию.
Директор Института фотоники и главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров рассказал, что в работе использовалась пленка из перовскита – мягкого и гибкого материала, значительно более простого и дешевого в обработке, чем большинство полупроводников, применяемых в фотонике. Эта пленка необходима для создания условий для генерации гибридных частиц света – поляритонов. На такой пленке можно отпечатать нужный узор, и даже при комнатной температуре наблюдаются квантовые эффекты, обычно получаемые при сверхнизких температурах. Пленка имеет толщину в тысячу раз меньше человеческого волоса, и на ней была создана микроскопическая решетка для эффективного взаимодействия света и вещества.
В ходе эксперимента ученые направили сверхкороткий лазерный импульс в крошечную точку на метаповерхности, что позволило создать условия, при которых поляритоны не могли разлетаться.
«Свет попадает в маленькое лазерное пятно и возбуждает перовскит. В этой области рождаются поляритоны, которые не могут выйти за ее пределы. За пределами лазерного пятна материал остается невозбужденным. Мы создали условия, при которых можно обойти парадокс Клейна и удержать частицы в ловушке», – пояснил ведущий теоретик исследования и научный сотрудник МФТИ Антон Налитов.
С помощью спектрометра, который разделяет свет по цветам, ученые обнаружили, что пойманные поляритоны образовали четкие энергетические уровни. На выходе из перовскитной пленки свет разделился на несколько цветных лучей, что подтвердило, что поляритоны действительно удерживаются в ловушке и занимают определенные состояния, а не рассеиваются хаотично.
Фундаментальное открытие обещает революцию в фотонных вычислениях. Метаповерхности решают задачи искусственного интеллекта с помощью света, в отличие от обычных процессоров, которые тратят много энергии и выделяют тепло. Сергей Макаров отметил, что свет проходит через структуру за доли наносекунды, выполняя вычисления с минимальными затратами.
Исследование финансировалось программой «Приоритет 2030». В будущем ученые планируют интегрировать перовскитные метаповерхности в дифракционные нейронные сети, что позволит создавать оптические вычислители размером около квадратного сантиметра. Эти устройства будут работать в сотни раз быстрее и энергоэффективнее современной электроники, выполняя операции векторно-матричного умножения для задач больших языковых моделей, распознавания образов и оптимизации логистики.
Источник: cnews.ru
распечатать статью
