Коллектив российских ученых провел теоретическое исследование экситонных поляритонов в квантовых оптических микрорезонаторах. Работа открывает новые возможности для манипулирования квантовыми оптическими средами в оптоэлектронике. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.

В последние годы исследования в области твердотельных микрорезонаторов остаются одними из самых динамичных и перспективных в квантовой физике твердого тела и оптоэлектронике. Особую роль среди них играют те, которые изучают возможности управления квантовыми системами на основе спин-орбитального взаимодействия, а также свойства жидко-кристаллических сред. Самым распространенным и привычным нам в быту таким примером использования управляемых материалов являются жидкокристаллические мониторы. Также они активно используются в термографии, в измерителях давления, детекторах ультразвука, многих других приборах и компьютерной технике. Сфера применения таких систем на текущий момент активно расширяется.

В данном исследовании ученые рассмотрели два распределенных брэгговских отражателя, которые работают за счет большой разности показателей преломления между слоями. Между отражателями размещен слой жидкого кристалла. Внутри этого жидкого кристалла разместили квантовые ямы. Были рассмотрены брэгговские отражатели, состоящие из шести слоев оксидов титана и кремния. Слой оксида кремния в обоих отражателях примыкает к центральной полости, заполненной жидким кристаллом. В этой полости находятся два слоя с квантовыми ямами, в которых могут формироваться экситоны. Жидкокристаллическая среда является оптически одноосной, то есть ось ЖК совпадает с направлением ориентации молекул ЖК. В качестве модельных экситонных слоев ученые использовали квантовые ямы толщиной 20 нанометров. На рисунке 1 слева изображена сама описываемая конструкция, а справа — распределение электрического поля для собственных колебаний, которые происходят вдоль оси Oz.

Рисунок 1. Схема структуры с двумя отражателями, ЖК-наполнителем и двумя слоями квантовых ям, примыкающих к отражателям. Источник: Physical Review Research

Принцип действия отражателя Брэгга основан на сложении световых волн, отраженных от границ между диэлектрическими слоями, характеризующимися разными показателями преломления. Чередование значений показателя преломления в слоях оксида титана и кремния создает интерференцию отраженных волн, что приводит к усилению отражения в определенном диапазоне длин волн. Это позволяет сделать структуру, способную отражать свет с высокой эффективностью, которая необходима для создания резонансов в микрорезонаторе.

Данная теоретическая модель позволила ученым исследовать множество квантовых эффектов, в частности, эффект квантового дрожания, двойное лучепреломление поляритонов, суперпозицию фотонных мод различной симметрии и поляризации, дисперсионные свойства полученного микрорезонатора. Для исследования они использовали формализм матрицы переноса, который позволяет удобным образом решать уравнения Максвелла в каждом слое отдельно, сшивая решения между слоями с помощью граничных условий особого типа. Главным исследуемым эффектом было влияние спин-орбитального взаимодействия (см. следующий абзац) на расщепление поперечных электрических и поперечных магнитных фотонных мод колебаний резонатора. Используя его, можно управлять состоянием жидкого кристалла с помощью приложенного электрического поля и манипулировать спином экситонов в квантовых ямах.

Спин-орбитальное взаимодействие — это квантовый эффект взаимодействия движения частицы с собственным угловым моментом (в классической физике тоже существуют аналогичные эффекты — в гироскопах). В квантовых системах спин-орбитальное взаимодействие обеспечивает множество и других более сложных эффектов. Кроме того, ученые исследовали эффект перемешивания поляритонных и фотонных мод колебаний, слегка изменив структуру конструкции, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема конструкции с двумя отражателями, ЖК-наполнителем и одним слоем квантовых ям, который расположен в центре полости. Источник: Physical Review Research

«В результате исследования разработан метод экспериментальной симуляции так называемых синтетических гамильтонианов, — объясняет Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Поляритонные симуляторы на основе предложенных нами структур способны находить собственные моды достаточно сложных гамильтонианов без совершения вычислений. Сверхбыстрые поляритонные симуляторы позволят решить ряд задач, которые являются сложными даже для наиболее мощных суперкомпьютеров».

В работе принимали участие ученые из Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, Ключевой лаборатории точного синтеза функциональных молекул провинции Чжэцзян Университета Вестлейк, Китай, Владимирского государственного университета им. Столетовых, Института Иоффе (Санкт-Петербург), лаборатории оптики спина СПбГУ, Петербургского отделения Высшей школы экономики и лаборатории гибридной фотоники Сколтеха.

Физики исследовали микрорезонаторы с наполнителями из жидких кристаллов