Программируемая материя: физики научились «лепить» из света и вещества

❋ 5.1

Физики-теоретики из МФТИ, СПбГУ, Владимирского государственного университета и Университета Вестлейк в Китае предложили и обосновали новую платформу, способную формировать пространственное распределение света по внешнему сигналу.

ФизТех

# жидкие кристаллы

# моделирование

# поляритонные конденсаты

# поляритоны

# свет

# физика

Принципиальная схема программируемого свето-материального устройства. Основой служит оптический микрорезонатор — своего рода «сэндвич» из двух высокоотражающих зеркал, между которыми заключена полость, заполненная жидким кристаллом (a). Внутри этой полости свет существует в виде нескольких различных стоячих волн (мод), каждая из которых имеет уникальный пространственный профиль с пиками и впадинами электрического поля, расположенными на разной глубине (b). Ключевой элемент — это три полупроводниковых слоя (резонансных слоя), которые служат источником экситонов. Они стратегически размещены именно в тех местах, где находятся пики интенсивности соответствующих им световых мод (c). Такая архитектура обеспечивает адресное взаимодействие: каждый полупроводниковый слой преимущественно «общается» только со «своей» модой света, что и создает основу для независимого управления ими и формирования сложных световых узоров / © E. Sedov and A. Kavokin, Phys. Rev. A 112, 043517 (2025)

В последние десятилетия ученые активно исследуют удивительный мир поляритонов — гибридных квазичастиц. Это своего рода «кентавры» микромира, сочетающие в себе свойства фотонов (частиц света) и экситонов (возбужденных состояний в полупроводнике). Заключенные в специальные полупроводниковые структуры, называемые микрорезонаторами, поляритоны могут образовывать макроскопические когерентные состояния, подобные лазерному излучению, известные как поляритонные конденсаты.

Управляя этими конденсатами, можно создавать миниатюрные когерентные источники света, оптические переключатели и даже элементы для квантовых вычислений. Однако до сих пор у этого направления был существенный недостаток: однажды созданное устройство обладало жесткой, неизменной структурой. Потенциальный ландшафт, который определяет форму и поведение поляритонного конденсата, закладывался на этапе производства и не мог быть изменен в дальнейшем. Это все равно что отлить скульптуру из бронзы — красиво, но статично.

Чтобы преодолеть это ограничение и превратить «бронзу» в «глину», с которой можно работать в реальном времени, авторы исследования обратились к уникальным свойствам жидких кристаллов. Эти материалы, знакомые всем по экранам смартфонов и телевизоров, состоят из молекул, способных изменять свою ориентацию под действием внешнего электрического поля. Такое изменение, в свою очередь, меняет оптические свойства всего материала, в частности, его показатель преломления. Ученые предложили конструкцию, где полость оптического микрорезонатора заполнена жидким кристаллом, а внутри него размещены несколько тончайших слоев полупроводника на основе перовскита, который служит источником экситонов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A.

Целью работы было создание единой, компактной структуры, способной по команде генерировать не один, а целое семейство различных, заранее запрограммированных световых узоров. Для этого исследователи использовали мощный метод вычислительной физики — топологическую оптимизацию.

В предложенной системе существует несколько различных поляритонных мод — своего рода стоячих волн света и вещества, отличающихся по своей пространственной структуре. Жидкий кристалл выступает в роли дирижера или селектора мод. Изменяя напряжение, подаваемое на жидкий кристалл, можно изменять ориентацию его молекул. Это тонко настраивает оптические условия внутри резонатора так, что в резонанс входит только одна, определенная поляритонная мода. Каждая из этих мод по-своему взаимодействует с заранее спроектированным «рельефом» экситонных слоев. Таким образом, одно и то же устройство, обладая одним и тем же внутренним рельефом, может генерировать совершенно разные световые картины в зависимости от того, какая мода «включена» в данный момент жидким кристаллом.

Топологическая оптимизация позволяет, отталкиваясь от желаемого конечного результата, рассчитать оптимальную геометрию и параметры системы для его достижения. В данном случае, компьютерный алгоритм должен был спроектировать идеальный «рельеф» для поляритонов, изменяя локальную толщину полупроводниковых слоев. Этот рельеф формирует стационарный потенциал, который и «лепит» нужную форму из поляритонного конденсата.

Евгений Седов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики имени А.А. Абрикосова МФТИ, прокомментировал: «Наше предыдущее исследование ограничивалось двумя модами с разной поляризацией света. В новой работе мы сделали качественный скачок вперед, научившись управлять целым набором мод с одинаковой поляризацией. Это похоже на переход от простого выключателя с двумя положениями к многоканальному пульту управления. Мы используем внешне настраиваемую анизотропию жидкого кристалла для того, чтобы динамически выбирать, какую из нескольких заранее заготовленных «программ» устройство будет исполнять. Это создает гораздо большую гибкость и функциональное разнообразие для одного компактного чипа».

Чтобы продемонстрировать возможности своей платформы, исследователи провели численное моделирование, поставив перед алгоритмом топологической оптимизации амбициозную задачу. В качестве целевых изображений исследователи выбрали три сложных узора, сгенерированных нейросетью: раскрытая ладонь, сжатый кулак и рука, которая показывает знак победы (V). Алгоритм успешно рассчитал необходимую наноразмерную модуляцию толщины экситонных слоев. Моделирование показало, что при одном значении управляющего параметра (угла наклона молекул жидкого кристалла) поляритонный конденсат действительно принимает форму ладони, при другом — кулака, а при третьем — знака V.

В верхнем ряду показаны целевые изображения, в среднем ряду — фактически полученные в симуляции распределения плотности поляритонов, а в нижнем — рассчитанные потенциалы. Совпадение между целевыми и полученными изображениями подтверждает высокую эффективность предложенного подхода / © E. Sedov and A. Kavokin, Phys. Rev. A 112, 043517 (2025)

Инновационность работы заключается в разработке целостной концепции динамически переключаемой платформы, которая объединяет пассивную, но сложную пространственную инженерию (топологически оптимизированные потенциалы) и активное, однородное управление (ориентация жидкого кристалла). Это позволяет преодолеть фундаментальное ограничение статичности в поляритонике и прокладывает путь к созданию программируемых оптических элементов.

Практическая значимость исследования огромна, особенно в контексте развития оптических нейроморфных вычислений, которые имитируют работу человеческого мозга. В таких системах каждая из запрограммированных световых картин может представлять собой карту весов нейронной сети, предназначенную для решения конкретной задачи. Предложенное устройство позволяет «хранить» на одном чипе несколько таких карт и мгновенно переключаться между ними, просто меняя напряжение. Это концептуально близко к идее контекстно-зависимых вычислений и так называемому «пожизненному обучению» искусственного интеллекта, когда система может осваивать новые задачи, не забывая старые. Такой подход позволяет создавать многозадачные поляритонные нейронные процессоры, не требующие физической перезаписи весов при смене задачи.

В будущем ученые планируют исследовать пути физической реализации предложенных структур, а также расширить сложность и количество программируемых состояний. Новая работа закладывает прочный теоретический фундамент для нового поколения реконфигурируемых гибридных свето-вещественных устройств, способных не просто излучать свет, а делать это осмысленно и по команде.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.