Поляритоны — одни из самых экзотических и при этом практически интересных квантовых объектов современной физики. Они возникают в полупроводниковых микрорезонаторах — тонких сэндвичах из полупроводниковых слоев, зажатых между двумя зеркалами,— когда фотоны, многократно отражаясь в зеркалах, начинают сильно взаимодействовать с экситонами: связанными парами из электрона и дырки, рождающимися в квантовых ямах. Эта сильная связь создает новые квантовые состояния — поляритоны, которые наследуют свойства и от фотонов (чрезвычайно малую эффективную массу и огромную скорость), и от экситонов (способность к сильным нелинейным взаимодействиям). При достаточно высокой плотности поляритоны способны образовывать конденсат Бозе—Эйнштейна — квантовое состояние, в котором огромное число частиц движется в унисон, как единый квантовый объект. Поляритонный лазер использует именно это явление: когда конденсат насыщается, он начинает испускать когерентный свет с порогом накачки, значительно более низким, чем у обычного полупроводникового лазера.
Поляритоны обладают еще одним замечательным свойством: они существуют в двух круговых поляризациях — правой (σ⁺) и левой (σ⁻). Это означает, что конденсат поляритонов можно охарактеризовать вектором Стокса или точкой на сфере Пуанкаре, описывающей поляризационное состояние. В отсутствие внешних анизотропий вектор Сткоса выбирается системой случайно при каждом формировании конденсата. Это было подтверждено как экспериментально, так и теоретически: если построить распределение поляризаций по тысячам независимых реализаций, оно будет равномерным по всей сфере Пуанкаре.
Но что произойдет, если до начала формирования конденсата ввести в моду резонатора маленькую «затравку» — несколько или даже один поляритон с заранее заданной поляризацией? Благодаря бозонному усилению — фундаментальному эффекту, при котором уже заполненные состояния притягивают новые частицы с экспоненциально большей вероятностью, конденсат предпочитает расти, сохраняя именно ту поляризацию, которую задала затравка. Чем быстрее конденсат нарастает, тем меньше времени у флуктуаций, чтобы «сбить» поляризацию с нужного направления.
В итоге поляризация записывается, закрепляется и сохраняется даже после того, как отдельные поляритоны, несущие эту информацию, давно распались и были заменены новыми из резервуара.
Физтехи формализовали этот механизм, решив стохастическое уравнение Гросса—Питаевского, которое включает насыщаемое усиление (описывающее рост конденсата из резервуара), потери (описывающие конечное время жизни поляритонов в резонаторе) и гауссов белый шум, интенсивность которого пропорциональна скорости роста. Численное моделирование ансамбля из 5 тысяч независимых реализаций позволило авторам получить полные распределения поляризационного состояния конденсата в любой момент времени. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Для количественной оценки качества поляризационной памяти авторы ввели метрику PAM (polarization-alignment metric): F(t) = 1 − 2⟨θ⟩/π, где θ — угол между вектором Стокса конденсата в момент времени t и вектором Стокса затравки.
Эта метрика принимает значение 1 при идеальном сохранении поляризации и значение 0 при полной потере памяти (случайной поляризации). Расчеты показали впечатляющий результат: даже для затравки из единственного поляритона (n₀ = 1) метрика F сохраняется на уровне, существенно превышающем случайный, на временах порядка сотен пикосекунд. Для затравки из 100 поляритонов F(100 пс) ≈ 0,9 — практически идеальное сохранение, и это значение удерживается существенно дольше. Авторы показали, что время релаксации памяти растет с ростом начального заполнения, что прямо связано с более быстрым формированием конденсата и более коротким временем, в течение которого флуктуации могут изменить поляризацию конденсата.
Здесь возникает квантовый парадокс, заслуживающий отдельного объяснения. Время жизни отдельного поляритона в планарном микрорезонаторе составляет единицы-десятки пикосекунд. Между тем поляризационная память сохраняется в сотни раз дольше — на наносекундном масштабе. Как это возможно?
Ответ лежит в коллективной природе конденсата: бозонное усиление непрерывно «восполняет» потери из резервуара экситонов, закачивая новые поляритоны преимущественно в состояние с изначально заданной поляризацией. Конденсат действует как самоорганизующийся усилитель поляризационного сигнала: каждый поляритон, умирая, уносит с собой свое маленькое поляризационное голосование, но следующий поляритон, рождаясь, с большей вероятностью «голосует» за ту же поляризацию, что и большинство. Так коллективный квантовый объект сохраняет память о начальном состоянии много дольше, чем любой из его компонентов.
Физики тщательно оговаривают важное ограничение: описанная ими память классическая, а не квантовая. В рамках использованного полуклассического описания (стохастическое уравнение Гросса—Питаевского) единственный фотон моделируется как слабое классическое возбуждение амплитуды конденсатной моды, но не как единичный квант света, способный переносить квантовую информацию. Работа авторов показывает, что, приближаясь с классической стороны к однофотонному состоянию, можно запоминать поляризацию света с хорошей точностью. Вопрос о том, может ли одиночный фотон произвольной поляризации навязать свою поляризацию поляритонному конденсату, требует дополнительных исследований.
Несколько лабораторий по всему миру — в Германии, США, Китае и России — работают над созданием поляритонных устройств, работающих при комнатной температуре, используя нитридные, перовскитные и органические микрорезонаторы. В 2024 году сразу несколько групп продемонстрировали поляритонные спиновые переключатели, работающие при комнатной температуре с временными откликами менее одной пикосекунды. Если к этим переключателям добавить механизм поляризационной памяти, описанный в статье, получится полноценный поляритонный «защелкивающийся» бит — устройство, которое может удерживать поляризационное состояние в течение наносекунд и переключаться между двумя состояниями по однофотонному триггеру.
Ключевым вопросом, остающимся за рамками теоретической работы, является экспериментальная реализация описанного механизма в конкретных материалах. Для GaAs-систем при криогенных температурах подобная проверка технически достижима уже сегодня: необходимые приборные мощности — пикосекундные лазеры, двухпотоковые схемы возбуждения и поляриметрическое детектирование — широко доступны в лабораториях, специализирующихся на поляритонной физике. Для комнатно-температурных систем на нитридах или перовскитах задача сложнее из-за более коротких времен жизни поляритонов. Это ограничение существенно, но не принципиально: предсказанная поляризационная память должна сохраняться на временах в сотни пикосекунд.
Денис Новокрещенов, аспирант кафедры Российского квантового центра МФТИ, прокомментировал результаты исследования так: «Ключевой сюрприз — насколько мало нужно для записи информации. По нашим оценкам, достаточно одного фотона: бозонное усиление делает из него настоящий ключ, задающий поляризацию макроскопического конденсата».
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, пояснил практическую значимость проделанной работы: «Поляритонные системы потенциально могут работать как крайне энергоэффективные оптические элементы памяти. По отношению объема записанной информации к затраченной энергии они имеют все шансы поставить мировой рекорд. Нам предстоит еще немало работы, чтобы перевести концепцию поляритонной памяти в рабочее устройство, но принцип действия прибора сформулирован и обоснован».
Перспективы поляризационной памяти на поляритонных лазерах вписываются в более широкий контекст нейроморфных и оптических вычислительных архитектур, активно развивающихся в последние годы. Несколько исследовательских групп уже продемонстрировали логические элементы, нейроны и спиновые переключатели, использующие потоки поляритонов и работающие при комнатной температуре — в нитридных, перовскитных и органических микрорезонаторах, отличающихся большой энергией связи экситонов. Если поляризационную память, описанную в работе ученых МФТИ, удастся перенести в эти более «теплые» системы, она может стать функциональным битом будущих оптических нейроморфных сетей, в которых информация будет храниться, обрабатываться и передаваться намного быстрее, чем в любой электронной архитектуре.
В работе кроме сотрудников Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ принимали участие их коллеги из Университета Исландии и Российского квантового центра.