Свет — едва ли не самый быстрый носитель информации, но заставить его задержаться в нужной точке оказалось фундаментальной проблемой. Частицы, почти не имеющие массы и движущиеся со скоростью, близкой к световой, не задерживаются барьерами — они проходят сквозь них. Это явление называют парадоксом Клейна, и оно мешает создавать оптические процессоры: свет пролетает сквозь чип, не успевая обработать данные.
Команда физиков из Нового физтеха ИТМО в сотрудничестве с МФТИ, Федеральной политехнической школой Лозанны и Техническим университетом Дортмунда нашла решение. Они впервые удержали гибридные частицы — экситон-поляритоны, возникающие при объединении фотона с возбуждением перовскита. Сверхкороткий лазерный импульс направили в точку на метаповерхности из перовскита, и частицы оказались заперты: внутри лазерного пятна они рождаются, но выйти не могут.
В работе мы использовали пленку из перовскита — мягкого и гибкого материала, который гораздо проще и дешевле в обработке, чем подавляющее большинство полупроводников, применяемых в современной фотонике. Он нужен нам, чтобы создавать условия для рождения гибридных частиц света — поляритонов. На перовските можно, как на пластилине, отпечатать нужный узор, и при этом в таких пленках даже при комнатной температуре удается наблюдать квантовые эффекты, которые раньше получали при сверхнизких температурах. Мы сделали пленку толщиной в тысячу раз тоньше человеческого волоса и прямо в ней отпечатали микроскопическую решетку, чтобы взаимодействие света и вещества стало максимально эффективным
То, что поляритоны действительно заперты, подтвердил спектрометр: частицы образовали четкие энергетические уровни, и на выходе из пленки свет разделился на цветные лучи. Ведущий теоретик исследования, ведущий научный сотрудник МФТИ Антон Налитов сравнил это с джинном, которого породили и тут же заперли в бутылке.
Баланс притока и потерь энергии в перовскитной метаповерхности создает условия, позволяющие обойти парадокс Клейна. В перспективе такие метаповерхности планируют интегрировать в дифракционные нейронные сети — оптические схемы, где свет сам выполняет вычисления.
Если разместить множество ловушек на чипе площадью около квадратного сантиметра, вычислители смогут выполнять операции векторно-матричного умножения для больших языковых моделей, распознавания образов и защиты от банковского мошенничества — в сотни раз быстрее и энергоэффективнее электроники. Результаты опубликованы в журнале Science Advances, исследование поддержано программой «Приоритет 2030».
Ранее Наука Mail рассказывала, что перовскитные элементы для помещений научились питать устройства от комнатного света.