Оптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках

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 проекта 23-72-00059

НазваниеОптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках

Руководитель Санников Денис Александрович, Кандидат физико-математических наук

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

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

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

Ключевые слова экситон-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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.1103/PhysRevLett.131.186902

2. Путинцев А.Д., Заседателев А.В., Шишков В.Ю., Миско М., Санников Д.А., Андрианов Е.С., Лозовик Ю.Е., Шерф У., Лагудакис П.Г. Photon Statistics of Organic Polariton Condensates Physical Review b, Phys. Rev. B. 110, 045125 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.045125

3. Санников Д.А., Бараников А.В., Путинцев А.Д., Миско М., Заседателев А.В., Шерф У., Лагудакис П.Г. Room temperature, cascadable, all-optical polariton universal gates Nature Communications, Nature Communications volume 15, Article number: 5362 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49690-3

4. Колкер М.Д., Красионов И.И., Путинцев А.Д., Грайфер Е.Д., Куксон Т., Татаринов Д., Пушкарев А.П., Санников Д.А., Лагудакис П.Г. Room Temperature Broadband Polariton Lasing from a CsPbBr3 Perovskite Plate Advanced Optical Materials (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Были изготовлены три новых образца с латеральными микрорезонаторами (ЛМР) из распределенных зеркал Брэгговского типа методом электронно-лучевой литографии с глубиной травления более 500 нм (700, 1500, 1800нм). 2. Осуществленна точная вставка нанокристалла (НК) CsPbBr3 в резонаторный слой образца ЛМР_3. 3. При помощи моделирования в COMSOL расчитан дизайн образца ВКР_3 на материале Si3N4 (SiN). Образец объединяет в себе идеи ВКР, волновода и декаплера для вывода латерального излучения под уголом к плоскости подложки. Такой дизайн позволит исследовать характеристики поляритонных дисперсий. Определены резонансные толщины CsPbBr3 НКов, которые подходят для вставки в образец. 4. По заключенному контракту образец ВКР_3 был изготовлен в МГТУ им. Баумана на базе технологии КНИ. 5. С помощью SEM охарактеризованы образцы ВКР_1, ВКР_2, ВКР_3, изготовленные по технологии КНИ, и определены размеры элементарных объектов ВКР. Проведенное повторное моделирование подтвердило, что реализованные размеры Si цилиндров ВКР, отличающиеся от размеров из технического задания, подходят для целевого спектра излучения CsPbBr3 и MAPbBr3 с расчетной добротностью резонатора ~150. 6. В активный слой образца ВКР_2 были вставлены два отдельных НК CsPbBr3. По SEM изображениям видно, что НК оказались видоизменены предположительно в процессе их транспорта в активный слой микрорезонатора (МР). 7. Произведена характеризация образца с наибольшей глубиной травления (1.8мкм) - ЛМР_3 без НК с помощью SEM в ЦКП Сколтеха (Sk). Параметры МР отличаются от завяленных в техническом задании. Определена основная проблема ЛМР - клиновидность слоёв SiO2, которая влечет за собой ухудшение добротности (Q) МР. 8. С помощью COMSOL произведено моделирование оптических характеристик структур ЛМР, Si ВКР и SiN ВКР. Для пустого ЛМР были получены: спектр пропускания пустого ЛМР; пространственное распределение электрического поля на резонансной длине волны. Получена параболическая дисперсионная зависимость для ТМ моды от 0 до 40 градусов. Раccчитаны зависимости Q и резонансной длины волны ЛМР от высоты резонатора. Глубина травления, при которой ЛМР достигает Q ~ 300 и которая может быть реализована технологией электронно-лучевой литографией (ЭЛЛ), определена равной 1.5мкм. Рассчитаны оптимальные параметры ВКР на основе Si на КНИ подложках с перовскитным MAPbBr3 слоем в 2D и 3D вариантах и сравнены с параметрами образцов ВКР_1, ВКР_2. Для ВКР кремниевых цилиндров в слое MAPbBr3 определены: спектры отражения ВКР из Si цилиндров разных диаметров и оптимальные параметры цилиндров. Учтена поправка на клиновидную форму цилиндров, получаемой в процессе травления. 9. Произведен расчет параметров декаплера для пленок MAPbBr3, нанесенных на образец ВКР_1 с Si ВКР зеркалами. Моделирование декаплера учитывает экспериментальный профиль травления MAPbBr3 ионным пучком. 10. Экспериментальное исследование поляритонной конденсации в латеральных МР было осуществлено на образце ВКР_1 с нанесенной на текстурированную поверхность пленкой MAPbBr3. Для предотвращения деградации пленки MAPbBr3 образец ВКР_1 был приготовлен и исследован в азотной среде. 11. Были исследованы фотолюминесцентные (ФЛ) свойства пленок MAPbBr3 в зависимости от ширины МР. Было рассчитано распределение амплитуды электрического поля в ВКР_1, на котором видно образование стоячих мод резонатора с Si ВКР зеркалами. Было рассчитано распределение отражения ВКР_1 в зависимости от ширины резонатора. Было произведено 3D моделирование распределения Ех вблизи Si ВКР. По результатам моделирования стало ясно, что Si ВКР могут образовывать высокодобротные моды ТЕМ00-02 разных энергий. Получены экспериментальные спектры латерального лазирования ВКР_1. Показано, что по достижении порога лазирования наблюдаются два характерных для ПК эффекта: blueshift с одновременным уширением линии. 12. Экспериментальный спектр излучения МР показал многомодовую структуру излучения, совпадающую с расчетом. Получено латеральное лазирование в спектральном диапзоне 543-553нм вдоль всей длины ВКР. Получены предварительные данные, указывающие на присутствие сильной экситон-фотонной связи в ВКР, заполненных MAPbBr3. 13. На образцe ВКР_2 было получено лазирование одиночного НК CsPbBr3, помещенного в резонаторный слой Si ВКР. Для определения типа лазирования проводятся дополнительные измерения. 14. Для решения проблемы прямого доказательства реализации поляритоного конденсата (ПК) в латеральном МР на образце ВКР_1 была использована идея вывода латерального лазирования с помощью декаплеров. Исходя из экспериментального профиля травления MAPbBr3 ионным пучком Xe FIB в ЦКП Sk были расчитаны декаплеры для ВКР_1. 15. Было охарактеризовано экситон-поляритонное излучение в планарном резонаторе с перовскитными кристаллами CsPbBr3 с изменяющейся толщиной. Показано образование ПК в двух взаимоортогональных состояниях (XY-splitting). Определены пороги формирования ПК при нерезонансной накачке, в зависимости от отстройки фотонной моды резонатора от энергии экситона. Определен диапазон перестройки устройства по цветовой диаграмме CIE 1931. 16. Представлено три доклада на конференции “21st INTERNATIONAL CONFERENCE LASER OPTICS ICLO 2024 1–5 JULY 2024 ST. PETERSBURG, RUSSIA”: - "Tunable broadband polariton lasing from perovskite nano crystals at room temperature", постер; - "Shaping energy landscape of organic polariton condensates in double-dye cavities", устный доклад; - "Room temperature, cascadable, all-optical polariton universal gates ", постер. 17. Опубликованы две статьи, одна принята в печать, и одна проходит второй этап рецензирования: - A.D. Putintsev et al., «Photon Statistics of Organic Polariton Condensates», Phys. Rev. B. 110, 045125 (2024), https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.110.045125 - D.A. Sannikov & A.V. Baranikov et al., «Room Temperature All-Optical Polariton Universal Gate in Organic Microcavities», Nat. Commun. 15, 5362 (2024), https://www.nature.com/articles/s41467-024-49690-3 - M.D. Kolker et al., «Room Temperature Broadband Polariton Lasing from a CsPbBr3 Perovskite Plate», принято в печать, Advanced Optical Materials (2024) - M. Misko & A.D. Putintsev et al., «Temporal Bandwidth of Consecutive Polariton Condensation», under review (2024), https://arxiv.org/abs/2407.21544

Публикации