КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-72-00059

НазваниеОптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках

РуководительСанников Денис Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2026 г. 

Конкурс№79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр исследовательской инфраструктуры Сколковского института науки и технологий.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаэкситон-поляритон, перовскит, поляритонный конденсат, логический вентиль, комнатная температура, микрорезонатор

Код ГРНТИ29.00.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптические компьютеры рассматривались на протяжении десятилетий как альтернатива традиционным ЭВМ, поскольку они могли бы проводить вычисления на порядки быстрее, чем современная электроника. Вычислительные строительные блоки - транзисторы, логические вентили, операционная память и другие схемы с использованием фотонов, а не электронов, уже давно предлагались теоретически для более быстрой, энергоэффективной и компактной обработки информации. В этом проекте мы решаем научную проблему практического создания элементов на основе поляритонных конденсатов и оптических вычислителей на архитектуре фон-Неймана. Такой подход позволяет решить проблему отсутствия взаимодействий между фотонами, имеющую ключевое значение для оптических вычислительных систем. Решением может стать использование платформы на основе поляритонов - квазичастиц, рождающихся при сильном взаимодействии света с веществом. Они сочетают свойства как света, так и материи — скорость света со способностью электронов взаимодействовать. При концентрации поляритонов выше критической образуются поляритонные конденсаты, которые представляют собой нелинейную среду, способную усиливать слабые сигналы и для которых характерно когерентное излучение, подобное лазерному. Эти свойства поляритонных конденсатов позволяют создавать множественные взаимодействующие микрорезонаторы, а значит, строить логические вентили. Хотя поляритонные конденсаты обладают уникальными свойствами, практически не предпринималось попыток создания полностью оптических логических схем на их основе. Можно отметить, что несколько лет назад в нашей группе успешно использовали этот эффект и продемонстрировали прототип первого полностью оптического транзистора, работающего при комнатной температуре, на основе органического полупроводникового полимера [Nature Photonics 13, 378 (2019)]. Однако, во-первых, в этом устройстве наблюдалась деградация и неоднородность активного полимерного слоя, а во-вторых, эти работы были реализованы на планарной архитектуре с излучением, ортогональным используемой поверхности резонаторов. Подобная геометрия не позволяет создавать многочисленные микрорезонаторы, соединенные друг с другом в логическую схему, аналогичную электронным схемам. Поэтому такой подход нужно далее совершенствовать. Это будет реализовано в рамках предложенного проекта с использованием перовскитных материалов и другой геометрии устройств, а именно, латеральных поляритонных резонаторов. В перовскитных материалах экситоны обладают большой энергией связи, что позволяет разрабатывать на их основе устройства, работающие при комнатной температуре и с более однородной структурой, по сравнению с полимерными пленками. В рамках данного проекта мы планируем провести моделирование микрорезонаторов на основе различных фотонных кристаллов, разработать и изготовить микрорезонаторы с перовскитным активным слоем с использованием установок ЦКП «Визуализация высокого разрешения» Центра исследовательской инфраструктуры Cколтеха. Полученные образцы будут детально исследованы на построенной нами оптической установке; будут изучены свойства образующихся в них поляритонов и их конденсатов. Образцы будут регулярно исследоваться методиками, доступными в ЦКП, для контроля за состоянием поверхности, морфологии, компонентного состава и т.д. Использование ресурсов инфраструктуры ЦКП на постоянной основе является ключевым моментом для успешной реализации данного проекта, поскольку в зависимости от измеренных свойств фотонных кристаллов будет корректироваться способ их изготовления для получения требуемых характеристик. Выявленные наиболее перспективные типы микрорезонаторов будут объединены в синхронизированные контуры и логические вентили. Будет изучена возможность реализовать гибридную электрооптическую накачку логических элементов. Будет разработана концепция поляритонной памяти на основе RS-триггера с демонстрацией первого полностью оптического поляритонного процессора.

Ожидаемые результаты
Наше исследование создаст как фундаментальные, так и практические новые и современные научные знания о логических схемах на основе поляритонов с использованием перовскитных материалов нового поколения для оптических вычислительных устройств. Ожидается, что в результате данного проекта мы создадим новую оптическую поляритонную платформу на основе латеральных микрорезонаторов с перовскитными активными слоями, соединенных в логические элементы. В долгосрочной перспективе полученные результаты создадут прочную основу для будущих оптических процессоров, которые окажут существенное влияние на различные области социальной сферы, как в свое время произошло с появлением ЭВМ. Мы ожидаем, что результаты исследований нашего проекта откроют новые направления в самых разных областях, таких как оптоэлектроника, квантовая фотоника, методы оптической и спектроскопической характеризации, материаловедение, информатика, обработка больших массивов данных, подтверждая научную значимость проекта. Социально-экономический отклик в краткосрочной и долгосрочной перспективе связан с междисциплинарным характером проекта, поскольку он потребует сотрудничества между специалистами из ряда дисциплин, включая физику, материаловедение, инженерию и спектроскопию. Такое взаимодействие будет способствовать обмену знаниями и расширению опыта исследователей и студентов в новых областях науки. Проект активно вовлекает молодых исследователей, что позволяет им развивать новые навыки и компетенции. Финансовая поддержка из средств гранта в случае поддержки поможет закреплению кадров в научной среде. Проект будет способствовать созданию передового исследовательского и инновационного потенциала в России и создаст базу для новых направлений в области фотоники, информационных и коммуникационных технологий, что даст сильное конкурентное преимущество России в этих областях. Ожидаемые результаты будут на самом современном уровне, подобно предыдущим успехам проектов и публикаций нашей группы.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Четырехлетняя исследовательская программа данного проекта направлена на получение поляритонного конденсата при комнатной температуре в латеральных микрорезонаторах с нанокристаллом перовскита в качестве активного материала и создание на их основе логических вентилей, объединенных в полностью оптические поляритонные интегральные схемы. За первые 8 месяцев реализации проекта проведена большая серия экспериментов, результатом которых явилось практическое создание оригинальных латеральных микрорезонаторов, состоящих из двух многослойных периодических зеркал (распределенных Брэгговских отражателей, РБО), а также микрорезонаторов в стандартной планарной геометрии с активным слоем из одиночного перовскитного нанокристалла. В планарном исполнении локализация световой моды внутри системы слоев «РБО/активная среда/РБО» реализуется перпендикулярно подложке. В разработанной нами оригинальной латеральной архитектуре высота РБО зеркал уменьшена до 0.5 - 2 мкм, и такие резонаторы, «поставленные вертикально», локализуют световую моду в плоскости подложки. Такая локализация света в плоскости подложки является единственным способом создания интегральных схем на основе поляритонной платформы. Предполагается достижение значений оптической добротности таких микрорезонаторов на уровне, необходимом для реализации поляритонной физики, что позволит использовать их в качестве первых в мире латеральных поляритонных транзисторов по типу обычных электронных интегральных схем. Образцы регулярно исследовались с привлечением ресурсов ЦКП «Визуализация высокого разрешения» для контроля за состоянием поверхности, морфологии и т.д., что стало ключевым моментом для успешной реализации данного проекта, поскольку в зависимости от измеренных свойств фотонных кристаллов корректировался способ их изготовления для получения требуемых характеристик. 1. Созданы функционирующие установки: по оптическому анализу изготовленных латеральных микрорезонаторов (ЛМР); по анализу поляритонного излучения; по оптическому анализу времен жизни носителей заряда в микрокристаллах перовскита; по оптическому анализу планарных структур с возможностью одновременного изменения толщины активного слоя; 2. Промоделировано распределение электромагнитной волны в ЛМР, и определены потери излучения в зависимости от толщины слоя ЛМР. Это позволило найти компромиссную толщину ЛМР (1000-1500нм), достижимую в технологии роста ЛМР и не приводящую к большим потерям излучения. В результате, для таких резонаторов можно достичь значений Q-фактора, необходимых для установления сильной связи в системе и последующей конденсации поляритонов. 3. Показано, что для формирования в пленке SiO2 образцов ЛМР необходимых характеристик наиболее подходящим методом является метод электронно-лучевой литографии с плазмо-химическим травлением. Выращено несколько рядов структур ЛМР (30х15х0.5мкм) с периодом 100мкм, состоящих из 9 и 12 пар распределенных брегговских отражателей (РБО), разделенных резонаторным слоем. Ширины барьерных SiO2 РБО слоев (зуб/яма) варьировались в пределах до 40нм от значений 250/450нм, а ширина активного слоя изменялась от 540 до 580 линейно от одной структуры к другой. Дополнительно были выращены матрицы ЛМР в полимерных пленках на основе проводящей подложки кремния с изоляционным слоем SiO2 (50нм) методом электронно-пучковой литографии. Параметры ЛМР составляли 150х15х0.5мкм с периодом 400мкм с описанными выше толщинами. Далее полученные образцы пустых ЛМР использовали для внедрения нанокристалов перовскита. 4. Экспериментально измерены спектры пропускания ЛМР, выращенных в тонких пленках (500нм) полимера и SiO2. Спектры показывают наличие одной моды резонатора, что является необходимым условием ЛМР. Добротность резонатора составила Q~120 с низким коэффициентом отражения запрещенной зоны ЛМР, что подтвердилось предварительным моделированием. Показано, что возможно внедрение перовскитных нанокристаллов CsPbBr3 в область резонатора с помощью метода жидкофазного осаждения. 5. Экспериментально показана поляритонная конденсация в перовскитных нанокристаллах в микрорезонаторах с планарными зеркалами. Ценность данного результата заключается в том, что в качестве активной среды таких структур мы использовали такие же нанокристаллы перовскитов, как и в ЛМР. На созданных образцах впервые продемонстрирована возможность экситон-фотонной подстройки в широком диапазоне (до 30нм) без изменения точки позиционирования на нанокристалле при комнатной температуре. Эти результаты показывают принципиальную возможность конденсации в ЛМР. По полученным данным готовится публикация «Tunable broadband polariton lasing from perovskite nano crystals at room temperature». 6. Был реализован универсальный поляритонный логический вентиль (NOT/NOR gate) при комнатной температуре в планарных микрорезонаторах. Был реализован каскад из двух логических NOT-вентилей на одной схеме, при котором выходной сигнал одного вентиля используется в качестве входного сигнала для другого NOT-вентиля. Статья «Room Temperature All-Optical Polariton Universal Gate in Organic Microcavities» с описанием этих результатов проходит рецензирование в журнале Nature Nanotechnology. Это исследование определяет перспективы использования поляритонных микрорезонаторов в качестве платформы для реализации логических элементов и возможность их каскадирования на одном «чипе», что будет использоваться в финальной части проекта на латеральной архитектуре. 7. Завершена и опубликована работа: «Controlling the Spatial Profile and Energy Landscape of Organic Polariton Condensates in Double-Dye Cavities» Phys. Rev. Lett. 131, 186902 (2023) (Q1, импакт-фактор 9.161). Результаты данной работы могут использоваться в качестве оригинального способа решения проблемы спектральной коррекции выходного сигнала логических поляритонных вентилей, для которых соответствие выходных сигналов между транзисторами, а также их входных сигналов при каскаде на одном чипе, является важным параметром их функционирования. Вопрос спектральной коррекции сигнала остается актуальным и при реализации поляритонных многоэлементных схем на основе ЛМР. Более того, результаты данного исследования являются важным шагом в процедуре дизайна ЛМР, взаимодействующих между собой (задача 4 года проекта). Исследование проведено на двухкомпонентной системе в планарном исполнении, где была продемонстрирована тонкая и контролируемая спектральная подстройка излучения поляритонных конденсатов в условиях работы при комнатной температуре. Работа расширила понимание физических процессов, возникающих в системе, и их влияния на характеристики излучения поляритонных конденсатов. 8. Результаты нашей работы освещены в СМИ: https://naked-science.ru/article/column/upravlenivym-zhidkim-svet https://new.skoltech.ru/en/news/future-high-speed-unconventional-computing-nears-scientists-manipulate-quantum-fluids-light

 

Публикации

1. Путинцев А.Д., Макги К., Санников Д.А.,Заседателев А.В., Топфер Ю., Джессивич Т., Шерф У., Лидзи Д., Лагудакис П. Controlling the Spatial Profile and Energy Landscape of Organic Polariton Condensates in Double-Dye Cavities Physical Review Letters, Phys. Rev. Lett. 131, 186902 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.186902

2. - Управление квантовым «жидким светом» стало гибче Naked Science, - (год публикации - )

3. - Future of high-speed unconventional computing nears as scientists manipulate quantum fluids of light Сайт Сколтеха, - (год публикации - )