Поляритоны — это квазичастицы, которые сочетают в себе свойства света и материи. Об этом сообщает phys.org.Они могут стать ключом к созданию оптических компьютеров и других квантовых устройств, работающих на световых волнах. В новой статье, опубликованной в журнале Chem, группа химиков из Колумбийского университета представила три основных правила для создания идеальных поляритонов.
Исследовательская группа под руководством Милана Делора протестировала различные материалы, от пленок с хаотично расположенными молекулами до организованных молекулярных кристаллов и фиксированных решеток двумерных материалов. Они выявили три ключевых правила: выбранный материал должен иметь большую оптическую поглощаемость, низкую степень беспорядка и немного врожденной делокализации экситонов.
Свет движется быстро, но имеет длинные волны и слабо взаимодействует сам с собой. Частицы, из которых состоит материя, малы и сильно взаимодействуют друг с другом, но движутся медленно. Соединяя свет и материю, можно создать гибридную квазичастицу — поляритон, который объединяет преимущества обоих миров: сильные взаимодействия и быстрое волновое движение.
Делор и его команда особенно интересуются экситон-поляритонами, которые образуются при соединении фотонов с энергией возбужденных электронов в материале. Эти поляритоны особенно перспективны для создания высокоскоростных оптических компьютеров.
Современные компьютеры работают на основе системы крошечных ворот, которые открываются и закрываются для регулирования передачи информации. В электронных компьютерах эти ворота — транзисторы, которые открываются и закрываются при взаимодействии электронов. Свет мог бы предложить более быстрый и эффективный способ передачи информации, если бы фотоны взаимодействовали друг с другом. Но они этого не делают: любой луч света просто проходит через другой, что делает создание световых ворот сложной задачей.
Поляритоны предлагают решение для создания полностью световых компьютеров. Они образуются, когда свет сильно взаимодействует с материалом на квантовом уровне. Фотоны помогают возбуждениям, таким как энергия возбужденных электронов, становиться когерентными (синхронизированными) на больших пространственных масштабах — подобно тому, как группы светлячков начинают мигать в унисон. Любое возмущение одного из них отражается на целом.
В 2023 году Делор и его команда разработали ультрабыструю технику визуализации, которая может захватывать экситон-поляритоны в движении. Они наблюдали волны — признак когерентности, но только до определенного предела. Когда гибридные частицы становились более «материальными», они увеличивали свои взаимодействия, но теряли когерентность из-за повышенной чувствительности к шуму, таким как беспорядок в материале.
«Вы видите проблему: когда вы объединяете свет и материю, вы не просто наследуете лучшие части, вы также наследуете худшие», — сказал Делор. «Наша задача была найти системы, которые оптимизируют когерентность, приходящую от света, с сильными взаимодействиями от материи, минимизируя слабости».
Делор, вместе с постдокторантом Йонгсоком Хонгом и аспирантом Дин Сю, начали разрабатывать и тестировать материалы в поисках лучших свойств для производства поляритонов.