− Szansą na zrewolucjonizowanie elektroniki jest światło. Leżące u podstaw tej dziedziny nauki elektrony napotykają opór, gdy przesuwają się w metalowym przewodzie lub krysztale. Światło może poruszać się praktycznie bez strat, dlatego warto je wykorzystać zamiast elektronów do usprawnienia operacji logicznych − mówi dr hab. Jan Suffczyński z Wydziału Fizyki UW, współautor artykułu opublikowanego w prestiżowym czasopiśmie „Nanophotonics”.
Zaprezentowane przez naukowców wyniki badań mają istotne znaczenie dla optycznych obliczeń kwantowych oraz mają szansę przyczynić się do powstania ultraszybkich procesorów używanych w komputerach nowego typu. Naukowcy z Laboratorium Ultraszybkiej Magnetospektroskopii (LUMS), działającym na Wydziale Fizyki UW, przeprowadzili eksperyment, w którym wykorzystali specjalną, cieńszą niż grubość ludzkiego włosa konstrukcję złożoną z wielowarstwowych lusterek i umieszczonych między nimi warstw kryształu. Badania przyniosły obserwację zjawiska laserowania polarytonowego oraz rozpraszania parametrycznego polarytonów ekscytonowych w układzie sprzężonych mikrownęk optycznych. Te na pozór trudne zagadnienia można przedstawić w bardzo obrazowy sposób.
− Działanie lusterek można wyjaśnić na przykładzie szyby, która trochę odbija światło, a trochę je przepuszcza. Z kilkudziesięciu takich szybek można stworzyć wielowarstwę. Od każdej powierzchni między kolejnymi warstwami będzie odbijała się jakaś niewielka część światła, a reszta będzie przechodzić dalej. Jeśli jednak grubość szybek dobierzemy tak, aby odbijające się od każdej kolejnej warstwy fale świetlne były zgodne w fazie, to te cząstkowe odbicia zsumują się w taki sposób, że dojdzie do odbicia całej fali. Ostatecznie więc światło nie przejdzie dalej, a wielowarstwa zadziała jak idealne zwierciadło – wyjaśnia współautor artykułu, Krzysztof Sawicki, doktorant na Wydziale Fizyki UW. Do niedawna taki efekt był wykorzystywany w lampach dentystycznych o różowo-zielonej poświacie. Zamontowane w przedmiocie lustro nie przepuszczało podczerwieni po to, by nie nagrzewać jamy ustnej – lampa miała jedynie ją oświetlić.
Światło w mikrownękach
W mikrownęce optycznej, czyli w przestrzeni pomiędzy dwoma takimi lusterkami naukowcy umieścili warstwę kryształu półprzewodnikowego. Następnie dołożyli jeszcze jedną taką warstwę i jeszcze jedno lusterko, uzyskując dwie sprzężone ze sobą mikrownęki. Cała ta złożona struktura została wykonana z tellurków kadmu, cynku i magnezu w laboratorium MBE, którym na Wydziale Fizyki UW kieruje dr hab. Wojciech Pacuski. Jej wyprodukowanie zajęło ponad 12 godzin, a grubość każdej z warstewek została wykonana z dokładnością do kilku nanometrów, czyli kilku miliardowych części metra. Następnie kryształ był pobudzany światłem pochodzącym z lasera. − Światło było pochłaniane przez kryształ na krótki czas (na kilkadziesiąt milionowych części milionowego ułamka sekundy). Następnie półprzewodnik oddawał tę energię, wysyłając foton, który odbijał się od lusterka i znów wracał tam, gdzie znajdował się kryształ. Półprzewodnik z powrotem łapał światło i znów oddawał energię. Wtedy foton po raz kolejny przechodził do mikrownęki, czyli znajdował się w przestrzeni pomiędzy lusterkami – wyjaśnia dr hab. Jan Suffczyński.
– Gdy kryształ nieustająco wymienia się energią z mikrownęką to foton, czyli energia, po jakimś czasie sama nie wie, gdzie jest − czy w krysztale, czy w mikrownęce? Taki stan nazywa się polarytonem. Jest to złożony stan, który trochę jest wzbudzeniem kryształu, a trochę wzbudzeniem mikrownęki – dodaje fizyk.
W swoich badaniach naukowcy regulując moc lasera oświetlającego strukturę wpływali na ilość dostarczanej do mikrownęki energii, a tym samym na liczbę tworzonych polarytonów. Gdy gęstość polarytonów przekraczała pewną progową wartość, następował efekt kwantowy zwany kondensacją Bosego-Einsteina i związane z nim zjawisko laserowania polarytonowego. Jest to pierwsza obserwacja tych efektów w układzie dwóch sprzężonych mikrownęk optycznych. Laserowanie polarytonowe to emisja o cechach emisji z lasera, charakteryzująca się jednak m. in. tym, że potrzebuje znacznie mniejszej mocy wzbudzającej niż w przypadku zwykłego lasera, aby się pojawić – tłumaczy Krzysztof Sawicki.
Polarytonowy bilard
– Właśnie w kondensacie dostrzegamy zjawisko, które w dużym uproszczeniu możemy porównać do gry w bilard. Kondensat tworzy mnóstwo nieruchomych polarytonów, które można wyobrazić sobie jako kuleczki, czyli bile. Gdy dochodzi do rozproszenia parametrycznego, to z nieruchomego kondensatu wyskakuje para polarytonów, które poruszają się z dokładnie taką samą prędkością, ale w przeciwne strony. Dwa nieruchome obiekty zmieniają się nagle w dwa ruchome, o tym samym pędzie. Polarytony w rozproszeniu opisywanym w artykule nie zmieniają swojej energii, więc spełniona jest zarówno zasada zachowania pędu, jak i energii – tłumaczy dr hab. Jan Suffczyński.
− Rozpraszanie parametryczne zostało uzyskane przy zastosowaniu pobudzania nierezonansowego, czyli o energii, która nie jest dopasowana do żadnego z poziomów energetycznych układu. Pobudzanie nierezonansowe umożliwia spektralną separację sygnału od pobudzenia, co jest obiecującym wynikiem z punktu widzenia zastosowań praktycznych w urządzeniach polarytonicznych, np. wytwarzania źródeł splątanych fotonów opartych na polarytonach – dodaje Krzysztof Sawicki.
Podkreśla też, że kondensacja Bosego-Einsteina polarytonów oraz laserowanie polarytonowe występują na dwóch najniższych poziomach energetycznych czteropoziomowego układu. Jest to zaskakujący wynik w kontekście tego, co wcześniej obserwowano w pojedynczych mikrownękach, gdzie kondensacja zachodziła w stanie podstawowym układu. Pomiary dynamiki emisji wykazały, że kondensaty o różnej energii mają wspólny próg laserowania, ale nie pojawiają się jednocześnie, tj. formują się i zanikają jeden po drugim.
Opisane przez fizyków z UW efekty nieliniowe w sprzężonych mikrownękach optycznych będą mogły znaleźć zastosowanie m. in. w tranzystorach optycznych, z których będą zbudowane ultraszybkie i bardzo wydajne energetycznie procesory wykorzystywane w komputerach nowego typu.
