Рідке світло використовували для надшвидких обчислень.

Наукова робота була опублікована в журналі Nature Materials. Екситонні поляритони — це квантові об'єкти (рідке світло), які представляють собою суперпозицію матеріальних квазічастинок, екситонів (пов'язаних електронів і дірок) та квантів світла, фотонів, поміщених у спеціальні напівпровідникові мікрорезонатори. Ці унікальні частинки володіють спіновими властивостями, що робить їх ідеальними кандидатами для передачі спінових струмів на великі відстані.

З моменту свого виникнення на початку XXI століття, спінтроніка привернула увагу вчених завдяки своїй здатності потенційно перевершити традиційні електронні технології. Однак через складну природу взаємодій спінів і швидку спінову релаксацію реалізація спінових обчислювальних пристроїв виявилася ускладненою. Раніше дослідження показали, що енергетичні розщеплення, пов'язані з симетрією кристалів, перешкоджають стабільному потоку чистого спінового струму.

Якщо носіями спіна є поляритони, при створенні пристроїв слід враховувати сильне ефективне магнітне поле в поляритонних мікрорезонаторах, яке швидко обертає спін поляритонів, що ускладнює використання спінового струму. Однак використання надрідкої поляритонної рідини, що формується в органіко-неорганічній гібридній мікропорожнині FAPbBr₃ з ізотропною кубічною кристалічною структурою, усуває цю проблему, дозволяючи отримувати високо когерентні спінові струми. Спіни в такій структурі переносяться надрідкими потоками поляритонів, що також дозволяє вирішити проблему швидкого розсіювання через теплові флуктуації, дозволяючи працювати спінтронному пристрою при кімнатній температурі.

Команді дослідників з МФТІ, університету Ціньхуа (Пекін) та Вестлэйк (Ханчжоу) вдалося вперше продемонструвати оптичний спіновий ефект Холла при кімнатній температурі.

Вчені також реалізували два інноваційних спінтронних пристрої: логічний вентиль NOT і спін-поляризований світлораздільник. Логічний вентиль здатний змінювати праву кругову поляризацію спіна на ліву і навпаки, а світлораздільник розділяє лінійно поляризоване світло на два промені з протилежними спінами. Ці пристрої можуть працювати на надшвидкісній пікосекундній шкалі часу, значно випереджаючи сучасні електричні пристрої, які працюють на наносекундній шкалі часу. Наносекунда — це одна мільярдна частина секунди, а пікосекунда ще в тисячу разів менше. Це означає, що такі спінтронні пристрої зможуть працювати в тисячу разів швидше сучасних електронних.

Фізики здійснили як теоретичні розрахунки, так і експериментальні дослідження. Теоретичні розрахунки полягали в розв'язанні двокомпонентного керованого-розсіювального рівняння Шредінгера, яке описує рух поляритонів. Моделювання включало розрахунок спінових компонентів хвильової функції та вивчення впливу випадкового потенціалу на спінові стани. Це сприяло глибшому розумінню процесів, що відбуваються в потоках поляритонів, і дозволило передбачити, як вони можуть бути використані в спінтронних пристроях.

Наступством моделювання стало передбачення того, що частинки рідкого світла можуть поширюватися балістично, зберігаючи когерентний стан. Експеримент показав, що при кімнатній температурі без руйнування свого стану поляритони можуть пролетіти до 60 мікрометрів, що більш ніж достатньо для використання їх у спінтронних пристроях як носіїв спінового струму. Це було підтверджено за допомогою спостереження інтерференційних смуг.

Крім того, теоретичні розрахунки передбачали, що стан спіна частинок рідкого світла коливається вздовж шляху їх поширення, що дозволяє керувати ним і інвертувати поляризацію за допомогою використання магнітного поля.
Описаний ефект був експериментально продемонстрований за допомогою лазерного збудження надрідкого потоку поляритонів. Коли лінійно поляризований лазерний промінь збуджував мікрорезонатор, спінові стани поляритонів формувалися в залежності від напрямку їх кутових моментів. Спостережуваний ефект дозволяє ефективно керувати напрямком спінових струмів і використовувати їх для обчислень.

«Дуже приємно, що китайські колеги експериментально реалізували ефект, запропонований нами 19 років тому, і створили два перших пристрої на основі оптичного спінового ефекту Холла. У подальшому планується використовувати електронно-променеву літографію та керовані магнітні поля для розробки більш складних спінтронних схем. Введення двох керуючих світлових променів з нелінійним взаємодією поляритонів може реалізувати додаткові логічні операції, що відкриє шлях до створення повністю оптичних логічних схем на основі кристалів, — пояснює Олексій Кавокін, директор Міжнародного центру теоретичної фізики імені А. А. Абрикосова МФТІ.

— Повністю оптичні логічні схеми зможуть забезпечити високу швидкість обробки даних при низькому споживанні енергії, що особливо важливо в епоху великих даних та штучного інтелекту. Завдяки цьому, ми можемо очікувати не лише підвищення продуктивності сучасних обчислювальних систем, але й появи нових інноваційних застосувань у сфері квантових обчислень, обробки інформації та передачі даних. В кінцевому підсумку це може призвести до створення більш компактних, потужних і стійких до зовнішніх впливів пристроїв, які зможуть змінити підхід до дизайну та архітектури майбутніх комп'ютерних систем».

Ця робота є значним кроком вперед у галузі спінтроніки та поляритоніки. Вчені відкрили нові горизонти для практичного застосування екситонних поляритонів при кімнатній температурі, що може призвести до революційних змін у технологіях, які ми використовуємо щодня.