Жидкий свет применяли для молниеносных вычислений.

Научная работа была опубликована в журнале Nature Materials. Экситонные поляритоны представляют собой квантовые объекты (жидкий свет), которые являются суперпозицией материальных квазичастиц, экситонов (связанные электроны и дырки) и квантов света, фотонов, помещенных в специализированные полупроводниковые микрорезонаторы. Эти уникальные частицы обладают спиновыми свойствами, что делает их идеальными кандидатами для передачи спиновых токов на значительные расстояния.

С момента своего возникновения в начале XXI века спинтроника привлекла внимание ученых благодаря своей способности потенциально превзойти традиционные электронные технологии. Однако из-за сложной природы взаимодействий спинов и быстрой спиновой релаксации реализация спиновых вычислительных устройств оказалась затруднительной. Ранее проведенные исследования показывали, что энергетические расщепления, связанные с симметрией кристаллов, затрудняют стабильный поток чистого спинового тока.

Если поляритоны выступают в роли носителей спина, то при создании приборов необходимо учитывать сильное эффективное магнитное поле в поляритонных микрорезонаторах, которое быстро изменяет спин поляритонов, усложняя использование спинового тока. Однако применение сверхтекучей поляритонной жидкости, формируемой в органико-неорганической гибридной микрополости FAPbBr₃ с изотропной кубической кристаллической структурой, устраняет эту проблему, позволяя получать высоко когерентные спиновые токи. Спины в такой структуре переносятся сверхтекучими потоками поляритонов, что также решает проблему быстрого рассеяния из-за тепловых флуктуаций, позволяя спинтронному устройству функционировать при комнатной температуре.

Команде исследователей из МФТИ, университета Циньхуа (Пекин) и Вестлэйк (Хангжоу) удалось впервые продемонстрировать оптический спиновый эффект Холла при комнатной температуре.

Ученые также создали два инновационных спинтронных устройства: логический вентиль NOT и спин-поляризованный светоделитель. Логический вентиль способен изменять правую круговую поляризацию спина на левую и наоборот, а светоделитель разделяет линейно поляризованный свет на два луча с противоположными спинами. Эти устройства могут работать на сверхбыстрой пикосекундной шкале времени, значительно опережая современные электрические устройства, которые функционируют на наносекундной шкале времени. Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, а пикосекунда еще в тысячу раз меньше. Это означает, что такие спинтронные устройства смогут работать в тысячу раз быстрее современных электронных.

Физики провели как теоретические расчеты, так и экспериментальные исследования. Теоретические расчеты заключались в решении двухкомпонентного управляемо-диссипативного уравнения Шредингера, описывающего движение поляритонов. Моделирование включало расчет спиновых компонентов волновой функции и изучение влияния случайного потенциала на спиновые состояния. Это способствовало более глубокому пониманию процессов, происходящих в потоках поляритонов, и позволило предсказать, как они могут быть использованы в спинтронных устройствах.

Результаты моделирования предсказали, что частицы жидкого света могут распространяться баллистически, сохраняя когерентное состояние. Эксперимент показал, что при комнатной температуре поляритоны могут пролететь до 60 микрометров без разрушения своего состояния, что более чем достаточно для их использования в спинтронных устройствах в качестве переносчиков спинового тока. Это было подтверждено наблюдением интерференционных полос.

Кроме того, теоретические расчеты предсказали, что состояние спина частиц жидкого света колеблется вдоль пути его распространения, что позволяет управлять им и инвертировать поляризацию с использованием магнитного поля.
Описанный эффект был экспериментально продемонстрирован с помощью лазерного возбуждения сверхтекучего потока поляритонов. Когда линейно поляризованный лазерный луч возбуждал микрорезонатор, спиновые состояния поляритонов формировались в зависимости от направления их угловых моментов. Наблюдаемый эффект позволяет эффективно управлять направлением спиновых токов и использовать их для вычислений.

«Мы рады, что наши китайские коллеги экспериментально реализовали эффект, предложенный нами 19 лет назад, и создали два первых устройства на основе оптического спинового эффекта Холла. В дальнейшем планируется использовать электронно-лучевую литографию и управляемые магнитные поля для разработки более сложных спинтронных схем. Введение двух управляющих световых лучей с нелинейным взаимодействием поляритонов может реализовать дополнительные логические операции, что откроет путь к созданию полностью оптических логических схем на основе кристаллов», — объясняет Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ.

— Полностью оптические логические схемы смогут обеспечить высокую скорость обработки данных при низком потреблении энергии, что особенно важно в эпоху больших данных и искусственного интеллекта. Это позволяет ожидать не только повышения производительности современных вычислительных систем, но и появления новых инновационных приложений в области квантовых вычислений, обработки информации и передачи данных. В конечном итоге это может привести к созданию более компактных, мощных и устойчивых к внешним воздействиям устройств, которые могут изменить подход к дизайну и архитектуре будущих компьютерных систем».

Данная работа представляет собой значительный шаг вперед в области спинтроники и поляритоники. Ученые открыли новые горизонты для практического применения экситонных поляритонов при комнатной температуре, что может привести к революционным изменениям в технологиях, которые мы используем ежедневно.