Под фотонными устройствами понимают аналоги знакомых нам устройств, например, компьютеров, которые приводит в действие не электричество, а энергия частиц света. Такие технологии менее энергозатратны и более экологичны, а также позволяют передавать и обрабатывать информацию в разы быстрее.
Однако приборы на основе подобных технологий пока имеют довольно большие размеры по сравнению с традиционными аналогами. К тому же полный переход от электричества к свету — крайне дорогостоящий и долгий процесс.

Исследователи Национального исследовательского университета ИТМО нашли компромисс между фотонными и действующими на электричестве технологиями — создали систему для управления квазичастицами света и материи. Скопления таких частиц могут стать заменой электричеству, а само устройство можно использовать в основе архитектуры более быстрых компьютеров, средств передачи связи или интернет-сетей.
Иными словами, разработка подойдет для сложных приборов, понизит их энергопотребление и увеличит скорость действия, например, в оптических компьютерах или вычислителях, функционирующих по принципу нейронных сетей и позволяющих максимально раскрыть возможности ИИ.

Разработка управляется как светом, так и электричеством, используя сцепленные между собой частицы света и экситоны (это связанные состояния электронов и дырок, то есть образовавшихся на месте возбужденных электронов пустот). Такие квазичастицы называют экситон-поляритонами.
Другое название — «жидкий свет», потому что, с одной стороны, они ведут себя как частицы света, с другой — обладают свойствами материи. Кроме того, взаимодействие между экситон-поляритонами сильнее, чем между фотонами, что также облегчает работу с ними.
Устройство представляет собой тонкую пластинку из нескольких слоев. На подложке из оксида кремния расположен фотонный кристалл — решетка из оксида тантала, покрытая сверху листом диселенида молибдена толщиной всего в три атома.

Пластинка активируется с помощью лазерного луча. Свет накачивает решетку фотонами и одновременно заставляет находящиеся в диселениде молибдена электроны переходить в возбужденное состояние и формировать экситоны. Далее фотоны сцепляются с экситонами и образуют те самые экситон-поляритоны.
— Наш вариант позволяет не только «включать и выключать» прибор, но и управлять двумя состояниями экситон-поляритонов, которые соответствуют разным длинам волн светового спектра. Также мы можем активировать оба состояния одновременно или каждое по отдельности с разной мощностью. И делаем это как с помощью луча лазера, так и регулировки электрического напряжения в пластинке (она подключена к источнику электричества).

Мы изучаем, при каких параметрах состояния активируются в зависимости от напряжения и мощности лазера. По этим зависимостям понимаем, когда происходит переход из одного состояния экситон-поляритонов в другое. Эта информация — ключ к высокоточному управлению частицами, — объяснил один из авторов проекта, ведущий научный сотрудник физического факультета, сотрудник лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО Василий Кравцов.
Работа проводилась в рамках проекта «Приоритет-2030» на базе лаборатории «Функциональные материалы для поляритонной квантовой логики».

Пресс-служба ИТМО
Фото авторов проекта