Группа исследователей из МФТИ, Санкт-Петербургского и Владимирского государственного университетов разработала и теоретически обосновала новую платформу для контроля над гибридными частицами света и материи — экситон-поляритонами. Объединив свойства жидких кристаллов, полупроводниковых перовскитов и мощного вычислительного метода топологической оптимизации, ученые показали, как можно создавать сложные световые поля с заранее заданной структурой, включая полноценные полутоновые изображения и области с различной поляризацией света. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A.
Современная фотоника, наука об управлении светом, стремится к миниатюризации и усложнению оптических устройств. На смену громоздким линзам и зеркалам приходят компактные чипы, способные манипулировать светом на наномасштабе. В авангарде этих исследований находятся экситон-поляритоны — ��дивительные квазичастицы, представляющие собой гибрид фотона (частицы света) и экситона (квазичастицы, описывающей возбужденное состояние электрона в полупроводнике). Поляритоны наследуют лучшие качества от своих «родителей»: от фотонов они получают легкость и способность быстро перемещаться на большие расстояния, а от экситонов — умение эффективно взаимодействовать друг с другом. Это делает их идеальными кандидатами для создания низкопороговых лазеров, оптических переключателей и даже элементов для квантовых компьютеров.
Однако, чтобы полностью раскрыть потенциал поляритонов, необходимо научиться управлять ими — создавать для них своего рода «ландшафты», которые бы заставляли их концентрироваться в нужных местах и формировать заданные узоры. До сих пор для этого использовались различные подходы: от травления микрорезонаторов до приложения внешних электрических полей. Но каждый из этих методов имел свои ограничения, не позволяя добиться по-настоящему гибкого и независимого контроля над поляритонами с разной поляризацией — одной из ключевых характеристик световой волны.
Российские ученые предложили элегантное решение этой задачи. Их концепция основана на многослойной структуре — оптическом микрорезонаторе, состоящем из двух высококачественных зеркал, между которыми заключен слой жидкого кристалла. Жидкие кристаллы обладают уникальным свойством оптической анизотропии: их молекулы выстроены в определенном порядке, из-за чего свет с разной поляризацией (например, направленной вдоль или поперек этих молекул) «видит» разные среды и распространяется в них с разными скоростями. Это свойство позволило изначально создать в резонаторе два независимых «канала» для ортогонально поляризованных световых мод.
Секретным ингредиентом системы стали два сверхтонких слоя полупроводникового перовскита, размещенные внутри жидкокристаллического слоя. Перовскиты известны своей способностью к сильному взаимодействию со светом, что необходимо для формирования поляритонов. Но ключевая идея исследователей заключалась в их расположении. Каждый слой был помещен в ту точку резонатора, где электрическое поле одной из поляризованных световых мод максимально, а другой — практически равно нулю. Таким образом, один перовскитный слой стал взаимодействовать почти исключительно со светом X-поляризации, а второй — только с Y-поляризацией. Это позволило впервые добиться независимого управления энергетическими ландшафтами для двух ортогональных поляризаций. А чтобы спроектировать эти ландшафты для получения конкретного результата, исследователи применили метод топологической оптимизации.
Результаты численного моделирования, представленные в статье, впечатляют. В первом эксперименте ученые поставили задачу сформировать в излучении поляритонного конденсата сложные полутоновые изображения, сгенерированные нейросетью DALL-E. Это доказывает, что предложенный метод позволяет не просто создавать бинарные картинки, а кодировать в квантовом состоянии материи сложную аналоговую информацию.
Евгений Седов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, рассказал: «Мы не просто создаем бинарные картинки «светло-темно». Наш метод позволяет формировать плавные градиенты интенсивности, по сути, полноценные полутоновые изображения, закодированные в квантовом состоянии материи. Мы решили пойти дальше и научились управлять не только интенсивностью, но и поляризацией в каждой точке пространства».
Во втором, более сложном численном эксперименте, физики смоделировали возбуждение системы циркулярно поляризованным светом, который одновременно создает поляритоны обеих поляризаций, X и Y. Целью было создание единого узора в виде листа клевера, разные части которого обладали бы разным поляризационным состоянием: один «лепесток» должен был излучать свет с чисто X-поляризацией, другой — с Y-поляризацией, а третий — с циркулярной. Алгоритм топологической оптимизации успешно справился и с этой задачей, спроектировав два независимых потенциальных ландшафта, которые работали согласованно. В одной области они подавляли Y-компоненту, в другой — X-компоненту, а в третьей позволяли им существовать на равных, формируя циркулярную поляризацию.
Новизна предложенного подхода заключается в комбинации статичной, заранее заданной анизотропии жидкого кристалла с возможностью «рисовать» потенциалы для поляритонов путем локального изменения свойств экситонных слоев. Это создает стабильную, не требующую сложного динамического управления систему для форми��ования структурированного света. Такой подход преодолевает ограничения предыдущих методов, предлагая надежный путь к созданию поляритонных устройств со сложной, запрограммированной на уровне структуры функциональностью.
Возможность создавать световые поля со сложной пространственной и поляризационной структурой востребована в самых разных областях — от оптических пинцетов и сверхразрешающей микроскопии до систем оптической связи и хранения данных, где поляризация может служить дополнительным каналом для кодирования информации. В более отдаленной перспективе такие системы могут стать основой для оптических нейроморфных сетей и симуляторов сложных квантовых систем.
Исследователи планируют продолжить работу, изучая возможности динамического управления такими системами, например, с помощью внешних электрических полей, которые могли бы изменять ориентацию молекул жидкого кристалла. Это позволит создавать перепрограммируемые поляритонные устройства, открывая новую эпоху в управлении светом на квантовом уровне.
Научная статья: E. Sedov and A. Kavokin, Engineering polariton states through liquid-crystal-induced anisotropy and topology optimization, Physical Review A 112, 013504 (2025), https://doi.org/10.1103/gj31-3wnr.
