Физика

Чипы обработки информации на основе света могли бы обеспечить огромное улучшение вычислительной мощности и скорости по сравнению с современной электроникой, но одной из проблем их разработки является создание быстрых переключателей с оптическим управлением. Новый трюк, позволяющий одному световому сигналу управлять другим в полупроводниковом материале, теперь увеличивает время переключения примерно с пикосекунды (10–12 секунд) до целых 100 раз быстрее в устройстве, которое можно легко интегрировать в чип [1] . Быстрое переключение достигается за счет нового использования бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) — квантового состояния, известного своим экзотическим поведением в сверхпроводниках и холодных газах. Работа открывает путь к чрезвычайно высокочастотным оптическим информационным технологиям.

Оптоэлектронное переключение — использование света для управления током — ранее было продемонстрировано всего за 1 фемтосекунду (10–12 секунд), но только в полупроводниковом устройстве, которое сложно изготовить и эксплуатировать [2]. Другой подход к созданию оптических устройств на основе чипов использует электронные возбуждения, называемые экситон-поляритонами, образующиеся, когда фотон, захваченный в оптическом резонаторе, взаимодействует с электронным состоянием, называемым экситоном (комбинация электрона и «дырки» или отсутствие электрон). Фотон и экситон могут связываться в квазичастицу — экситон-поляритон.

Экситонные поляритоны могут взаимодействовать со светом способами, которые резко изменяются при изменении интенсивности света. В частности, оптический импульс может привести к резкому падению интенсивности света, излучаемого этими квазичастицами, до нулевой интенсивности. Ранее сообщалось об оптических переключателях на основе поляритонов со временем переключения около пикосекунды [3, 4].

Команда в Китае под руководством Хуэй Ли из Восточно-Китайского педагогического университета хотела ускорить переключение, используя БЭК поляритонов, при котором квазичастицы «конденсируются» в одно квантовое состояние. Бозе-эйнштейновская конденсация обычно происходит только при сверхнизких температурах, но экситонные поляритоны в полупроводниковых микрорезонаторах могут образовывать БЭК даже при комнатной температуре [5]. Такие конденсаты поляритонов ранее использовались в оптических переключателях и других устройствах [3, 6], но Ли и его коллеги подозревали, что с помощью новой технологии они смогут добиться гораздо более быстрого переключения. Они хотели использовать способ взаимодействия «управляющего» импульса света с фотонной частью квазичастиц, чтобы быстро вывести многие поляритоны из состояния БЭК и резко выключить систему.

Поляритон BEC команды формируется в микрорезонаторе — проволоке из оксида цинка с поперечным сечением 3,6 микрометра — из экситонных поляритонов, создаваемых ультрафиолетовым импульсом накачки, который длится всего несколько фемтосекунд. Фотоны накачки прыгают внутри шестиугольного сечения провода и взаимодействуют с экситонами в материале, образуя поляритоны. Поляритоны конденсируются в БЭК, состоящий примерно из 20 миллионов квазичастиц, который распадается за несколько пикосекунд. Импульс накачки служит входным сигналом; Пока существует БЭК, некоторые из его фотонов излучаются и могут быть обнаружены на выходе.

Управляющий импульс красного лазера разрушает конденсат, обедняя его поляритонами и отключая выходной сигнал. Ли говорит, что это нарушение происходит менее чем за пикосекунду — примерно в 100 раз быстрее, чем предыдущие поляритонные переключения. Более того, отношение сигнала включения к выключению (коэффициент затухания) в устройстве составляет около миллиона — лучший результат, достигнутый в поляритонном переключателе. Исследователи говорят, что скорость переключения можно увеличить в 10 раз за счет сокращения длительности управляющего импульса.

«Это очень хорошая работа, и я впечатлен их результатами», — говорит эксперт по квантовой оптике Дэниел Суарес Фореро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке. «Приятно видеть, как спустя 27 лет после первой экспериментальной демонстрации БЭК контроль над системами, в которых реализуется это явление, улучшился до такой степени, что стало возможным реализовать технологические приложения».

Он хвалит работу устройства при комнатной температуре, быстрое время переключения и высокий коэффициент затухания устройства. Такие свойства «делают эти системы очень подходящими для технологий сверхбыстрой коммутации», говорит он. Но Суарес Фореро предупреждает, что еще предстоит решить важные проблемы — например, миниатюризировать все компоненты установки, включая лазеры.