Разгадана загадка взаимодействия частиц, открывающих уникальные возможности для полностью оптической обработки информации

Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications Physics. Им также посвящена отдельная статья в февральском номере Nature Physics. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда.

Органические вещества – базовый строительный материал всех живых организмов. А взаимодействие органических молекул со светом – главный процесс в жизни растений, обеспечивающий возможность существования жизни на Земле.

Кроме того, органические материалы активно используются для создания светоизлучающих устройств, гибкой электроники, солнечных батарей, фоточувствительных сенсоров и многих других устройств. Сегодня существует целая индустрия органической оптоэлектроники, и органические светодиодные дисплеи (OLED) – известный пример коммерческого использования органических молекул.

Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха во главе с профессором Павлосом Лагудакисом разрабатывает новые принципы оптоэлектроники, основанные на сильном взаимодействии света с органическими материалами. Главным отличием от традиционных подходов является то, что при таком режиме взаимодействия происходит «смешение» света, то есть фотонов, и электронных возбуждений молекул – экситонов. В результате возникают новые частицы — поляритоны, которые сочетают в себе высокую скорость распространения света и электронные свойства вещества.

«Меняет ли это наш мир? Несомненно! Сильная связь может замедлять фотодеградацию молекул, изменять ход фотохимических реакций, а кроме того, наделяет фотоны способностью взаимодействовать друг с другом. Последнее свойство позволяет создавать эффективные устройства обработки оптических сигналов», — рассказывает профессор Павлос Лагудакис.

Сейчас проблема обработки больших объемов информации в оптоволоконных сетях решается путем преобразования света в электрические сигналы. Принципы сильной связи открывают уникальные возможности для полностью оптической обработки информации в обход потерям скорости и энергии сигналов при преобразовании в ток. За последние десять лет удалось достичь значительных успехов: от создания первого органического поляритонного лазера до наблюдения сверхтекучих поляритонных потоков, распространяющихся без потерь при комнатной температуре, и изобретения первого органического сверхбыстрого оптического транзистора. Следует отметить, что Сколтех является одним из мировых лидеров в органической поляритонике.

Однако, несмотря на значительный прогресс в данной области, механизмы взаимодействия поляритонов в органических системах долгое время оставались неясными и являлись причиной жарких споров в научном сообществе. Наконец, загадка поляритонных взаимодействий решена. Исследование команды из Сколтеха ставит точку в данном вопросе.

Ученые провели глубокое экспериментальное исследование и выявили закономерности в свойствах поляритонных конденсатов – состояние, в котором одновременно находятся сотни и даже тысячи поляритонов, идентичных друг другу.

«Из экспериментов известно, что при конденсации поляритонов в органике происходит резкий сдвиг спектральных свойств, причем этот сдвиг всегда приводит к увеличению частоты поляритонов. Это является индикатором нелинейных процессов, протекающих в системе, так же, как, например, изменение цвета металла по мере его нагрева», — рассказывает первый автор статьи, младший научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Тимур Ягафаров.

Анализ экспериментальных данных позволил установить ключевые зависимости сдвига частоты поляритонов от важнейших параметров взаимодействия света с органическими молекулами. Впервые обнаружено сильное влияние переноса энергии между соседними молекулами на нелинейные свойства поляритонов. Теперь ученые знают, что является движущей силой поляритонов. Используя построенную теорию, можно определить экспериментальные параметры, необходимые для связи нескольких поляритонных конденсатов в единую цепь для построения поляритонных процессоров.

С фундаментальной точки зрения, полученные знания, возможно, позволят объяснить явление сверхтекучести поляритонов в органике. «Полученные результаты имеют важное значение не только для нашей области исследований, но и за ее пределами. Обнаруженные механизмы нелинейности поляритонов носят общий характер и, вероятно, являются универсальными для органических систем с сильной связью», — комментирует старший научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Антон Заседателев.

Сколтех

100 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше