Китайские физики создали ультрабыстрый оптоэлектронный переключатель, использующий бозе-эйнштейновский конденсат поляритонов. Время срабатывания такого переключателя на три порядка меньше, чем других разработок в области оптоэлектроники с аналогичной функцией на разных физических принципах, а действовать устройство может и при комнатной температуре.
При разработке сверхбыстрых электронных устройств в последние годы в качестве переносчика информации стремятся использовать свет вместо приборов «традиционной» электроники, где носителями являются заряженные частицы (чаще всего электроны). Световоды давно уже используются в качестве каналов связи, но полноценному переходу к оптоэлектронике мешает слабое звено — переключатели и другие логические вентили, которые до сих пор в подавляющей массе используют полупроводниковые электронные технологии с перемещением «медленных» носителей заряда — электронов и дырок. Это тормозит прогресс в создании, в частности, устройств терагерцевого диапазона. Ограничивающим фактором для них является скорость передачи сигнала через коммутирующие устройства. Частота электромагнитного сигнала в терагерцевом диапазоне (1012 Гц) соответствует субмиллиметровому диапазону длин волн. Использование такого диапазона позволило бы серьёзно продвинуться, например, в создании устройств для неразрушающего контроля материалов или медицинской диагностики. Но если время срабатывания логического вентиля больше периода электромагнитной волны, то преимущества использования этого диапазона теряются. Так же на заре полупроводниковой электроники ограничивающим фактором ламповых приборов служило их время срабатывания — фактически время пролёта электрона от анода до катода в вакуумной трубке. Для характерных размеров трубок (миллиметры) и напряжений в пару сотен вольт это время составляет порядка 10−9 секунд, что читатель может проверить в качестве повторения школьных законов физики. Ламповые приборы плохо работают с частотами, бо́льшими, чем обратная величина этого времени пролёта/срабатывания. В своё время потолком возможностей вакуумных ламп как раз были гигагерцевые частоты (109 Гц), и переход к полупроводниковой элементной базе позволил этот предел преодолеть. Оптоэлектронные переключатели призваны преодолеть следующий предел — терагерцевых частот 1012 Гц, на котором проявляются ограничения уже полупроводниковой базы.
Поэтому усилия специалистов в области прикладной и теоретической физики в последние годы направлены на разработку коммутирующих элементов, работающих на оптических сигналах. При этом «компонентная база» таких устройств создаётся на ходу: обкатываются различные физические принципы, на которых можно реализовать такие устройства, а также проводятся эксперименты с экзотическими материалами, которые могут себя зарекомендовать в конкретном диапазоне частот. Такие разработки сейчас на слуху, о некоторых реализациях можно прочитать в наших недавних статьях. Например, в этой заметке рассказывается о переключателе с использованием материала с нелинейными оптическими свойствами в нужном диапазоне (ниобат лития); в другой разработке для нужд оптоэлектроники предлагается использовать двумерный фотоэффект. Характерно, что обе заметки вышли этим летом — возможно, мы на пороге технологического скачка, аналогичного скачку при переходе от ламповой электроники к полупроводниковой несколько десятков лет назад.
В переключателе нового типа в качестве коммутирующего механизма используются поляритоны. Это одна из разновидностей квазичастиц, которая получается при взаимодействии фотонов и экситонов. Экситон — это тоже квазичастица, которую можно представить как пару из возбуждённого электрона и дырки в полупроводнике. Иными словами — это некоторое локализованное состояние энергетического возбуждения в кристалле. Как и другие квазичастицы, такое состояние может мигрировать по кристаллу, причём физического перемещения электронов или дырок здесь не происходит: в возбуждённом состоянии оказываются сначала носители заряда возле одного узла, затем — возле соседнего и так далее: по кристаллу движется «волна» возбуждения, а не сам электрон.
Такие квазичастицы способны формировать бозе-эйнштейновский конденсат — особое квантовое состояние материи, в котором большинство частиц находится в одном и том же квантовом состоянии с наинизшей энергией. Частицы в таком состоянии действуют как одно целое, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроуровне.
Поляритоны могут излучать свет — этот механизм и является ключевым для оптического переключателя. Бозе-эйнштейновский конденсат из поляритонов может действовать как «поляритонный лазер» — тоже полезное свойство искомого переключателя. Далее, оказывается, что некоторые полупроводниковые материалы, в частности, оксид цинка, способны удерживать экситоны при комнатной температуре. Это уже прямое указание на возможность создания оптоэлектронного компонента нового типа, для которого не потребуется охлаждение до сверхнизких температур, как, например, в современных технологиях, использующих сверхпроводники (типа поездов-маглевов) или сверхтекучесть.
Статья с описанием этой оптоэлектронной разработки вышла в сентябре 2022 года в Physical Review Letters. Для экспериментов использовали оксид цинка с микрополостями внутри образца. Импульс накачки в ультрафиолетовом диапазоне длительностью несколько фемтосекунд, направленный в такую полость, вызывает вспышку света от бозе-эйнштейновского конденсата внутри полости, имеющую такую же длительность. Но главное здесь то, что выключение лазера прекращает вспышку от микрополости, причём срабатывание такого триггера происходит на три порядка (примерно в тысячу раз) быстрее, чем у других видов оптоэлектронных переключателей. Такое быстродействие возникает из-за свойств поляритонов — их быстрого исчезновения после прекращения возбуждения. Время, за которое оптический переключатель переходит из включённого в выключенное состояние и обратно — его ключевая техническая характеристика. В предложенной реализации это время оказывается на несколько порядов меньше, чем у переключателей на поляритонах, которые удавалось создать раньше. Такое быстродействие уже делает возможным использование этого принципа для работы в терагерцевом диапазоне.