Устройство на основе перовскита открывает новаторские способы «расслабления» экзотических квазичастиц

Группа исследователей из Массачусетского технологического института и других институтов прокладывает путь к новым типам устройств, которые эффективно преодолевают разрыв между материей и светом. Это могут быть компьютерные чипы, которые устраняют неэффективность, присущую сегодняшним версиям, и кубиты, основные строительные блоки для квантовых компьютеров, которые могут работать при комнатной температуре, а не в ультрахолодных условиях, необходимых для большинства таких устройств.

Новая работа, основанная на размещении крошечных чешуек материала, называемого перовскитом, между двумя точно расположенными отражающими поверхностями, подробно описана в журнале Nature Communications, в статье недавней выпускницы Массачусетского технологического института Мадлен Лайц, доктора философии 22 года, постдока Дейна ДеКуилетта, профессора Массачусетского технологического института Владимира Булович, Мунги Бавенди, Кит Нельсон и еще семь человек.

Создавая эти сэндвичи из перовскита и стимулируя их лазерными лучами, исследователи смогли напрямую контролировать импульс определенных «квазичастиц» внутри системы. Эти квазичастицы, известные как экситон-поляритонные пары, представляют собой гибриды света и материи. Возможность управлять этим свойством может в конечном итоге сделать возможным чтение и запись данных на устройства на основе этого явления.

«Что особенно интересно в экситон-поляритонах, — говорит Лайтц , так это то, что они лежат «в спектре между чисто электронной и фотонной системами». Эти квазичастицы «обладают характеристиками обоих, и поэтому вы можете использовать экситон-поляритоны, чтобы использовать лучшие свойства каждого из них».

Например, чисто электронные транзисторы, объясняет она, имеют присущие им потери из-за емкостных эффектов на каждом интерфейсе между устройствами, в то время как «чисто фотонные системы имеют проблемы с инженерной точки зрения, поскольку очень трудно заставить фотоны взаимодействовать, и вам приходится полагаться на сложные схемы». интерферометрические схемы». Напротив, квазичастицы, используемые этой командой, можно легко контролировать с помощью множества переменных.

Квазичастица — это «комбинированное состояние света и нейтрального заряда», — говорит Булович. «В результате вы можете нарушить это комбинированное состояние либо светом, либо зарядом, и, следовательно, если вам нужно модулировать это состояние, у вас есть дополнительные рычаги, которые вы можете использовать. Эти дополнительные рычаги теперь могут позволить манипулировать этим комбинированным состоянием материи более энергоэффективным способом».

Более того, используемые материалы легко изготавливаются с использованием методов обработки на основе растворов при комнатной температуре, и поэтому их можно относительно легко производить в больших масштабах после разработки практических систем. Пока работа находится на очень ранней стадии, так как исследователи все еще изучают недавно обнаруженные эффекты; практическое применение может произойти через 5-10 лет, говорит Лайц.

В последние годы перовскиты привлекли большое внимание как материалы для новых легких и гибких солнечных фотоэлектрических панелей, поэтому было проведено большое количество исследований их свойств и методов изготовления. Команда остановилась на особой версии перовскита, называемой йодидом свинца фенетиламмония.

«Галоидные перовскиты очень хорошо улавливают свет и превращают фотоны в электроны или экситоны в зависимости от размерности и свойств материала перовскита », — говорит она, поэтому исследователи выбрали именно эту версию этого большого класса материалов для своих исследований.

Затем, чтобы создать так называемый оптический резонатор, способный улавливать фотоны света, исследователи поместили крошечные чешуйки материала между зеркальными поверхностями. Два из этих сверхтонких слоев толщиной всего в десятки нанометров были разнесены на точное расстояние друг от друга с помощью разделительных слоев, так что зеркала были разделены половиной длины волны света, которую этот перовскитный материал одновременно поглощает и излучает.

Используя перовскит, настроенный на длину волны зеленого света, излучаемый зеленый свет затем отражается между зеркалами. «Он повторно поглощается материалом, переизлучается, повторно поглощается, переизлучается, вновь и вновь поглощается снова и снова так быстро, что происходит взаимное преобразование между фотоном и экситоном, так что вы создаете суперпозицию обоих», — говорит Лайц .

Это может привести к состоянию материи, известному как конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором все частицы имеют одинаковые энергетические состояния и ведут себя как одна большая частица. Лайц говорит, что такие конденсаты обладают свойством, известным как вращение, и его можно изменить с помощью света или электрической стимуляции; результирующие изменения можно измерить, наблюдая фотолюминесценцию материала с помощью системы спектроскопической визуализации. И в отличие от чисто фотонных систем, где между фотонами мало взаимодействия, эти материалы сильно взаимодействуют как со светом, так и с электронами.

Массивы таких конденсатов были получены, но до сих пор, как правило, только при сверхнизких криогенных температурах. «Перовскиты дают возможность реализовать это явление при повышенных температурах», но образование конденсатов в перовскитах затруднено. По словам Лайтца, это новое исследование показывает фундаментальные характеристики процесса, который приводит к конденсации . В их статье «мы предлагаем несколько стратегий с точки зрения материала и архитектуры устройства, чтобы сделать это возможным». По ее словам, это может стать ключевым шагом к возможным кубитам при комнатной температуре.

Хотя разработка таких устройств может занять несколько лет, более краткосрочное применение новых открытий может заключаться в создании новых видов светоизлучающих устройств, говорит ДеКуилеттс, в том числе тех, которые могут обеспечить управляемый источник света с направленным выходом, который можно управляется электронным способом.

«Существовал значительный интерес к использованию экситон-поляритонов в качестве основы для маломощных когерентных источников света, подобных лазерам», — говорит Стефан Кена-Коэн, адъюнкт-профессор инженерной физики в Монреальском политехническом институте, который не был ассоциированным с этой работой. «В этой области задача состоит в том, чтобы заставить поляритоны эффективно релаксировать до их самого низкого энергетического состояния. Эта статья помогает нам понять детали того, как это происходит в перовскитных микрорезонаторах, и как лучше спроектировать полости, чтобы это происходило при очень низкой мощности».