В ИТМО придумали, как использовать гибридные частицы света для сверхбыстрых оптических чипов

В физике существует явление, которое называют парадоксом Клейна: оно описывает поведение частиц, почти не имеющих массы и движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Такие частицы не удерживаются барьерами, а проходят сквозь них, поэтому их нельзя «поймать» в ловушку и удержать в одном месте. С развитием фотоники это ограничение перетекло из теоретического в практическое. Чтобы создавать оптические компьютеры, нужно уметь надежно удерживать световые сигналы в нужной точке, чтобы они не пролетали насквозь и успевали обработать информацию, а затем обрабатывать их в крошечных участках чипа.

Команда ученых Нового физтеха ИТМО совместно с коллегами из МФТИ, Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Технического университета Дортмунда в Германии решила задачу удержания света с помощью гибридных частиц — экситон-поляритонов. Они возникают, когда свет (фотон) объединяется с возбуждением перовскита (экситоном) в метаповерхности. Эти гибриды по своим свойствам похожи на безмассовые частицы, которые могут очень быстро переносить информацию.

«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», — объяснил директор Института фотоники и главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров.

В дальнейшем ученые планируют интегрировать такие перовскитные метаповерхности в дифракционные нейронные сети — оптические схемы, где свет сам выполняет вычисления, проходя через несколько слоев с микроскопическими узорами, как нейросеть обрабатывает информацию. Если удастся разместить множество таких «ловушек» на компактном чипе площадью около квадратного сантиметра, это позволит создать оптические вычислители, способные, например, выполнять операции векторно-матричного умножения для задач больших языковых моделей, распознавания образов, оптимизации логистики и борьбы с мошенническими банковскими операциями. Вычисления станут в сотни раз быстрее и энергоэффективнее современной электроники. 

#новостиэлектроники