Между светом и жидкостью, казалось бы, нет ничего общего. Свет — это поток электромагнитных квантов — фотонов. В вакууме они движутся по прямой с одинаковой скоростью и не взаимодействуют друг с другом. Жидкость — это набор атомов или молекул, которые движутся хаотически, с разными скоростями, сталкиваются, взаимодействуют. Отсюда вязкость, образование капель, водоворотов и т. п. Однако в определенных условиях свет ведет себя как жидкость.
"Жидкий" свет может распространяться очень медленно и так же, как, например, вода, формирует капли и водовороты. Жидким светом легко управлять. Его можно переливать из сосуда в сосуд, сообщать ему поступательное или вращательное движение. Что еще важнее: жидкий свет можно использовать для переноса информации. В этом случае вместо электронов в транзисторах и диодах бегает электрически нейтральная свето-жидкость. В определенных условиях такая жидкость становится сверхтекучей: распространяется без трения и вязкости, проходит через мельчайшие щели, обтекает препятствия. Если оставить свето-жидкость в покое, она образует лужи или, как их называют физики, конденсаты. Световые конденсаты предполагается использовать в квантовых симуляторах: приборах, которые с рекордной скоростью будут решать определенный набор задач, вызывающих затруднения у классических компьютеров.
Экситонные поляритоны — квазичастицы жидкого света — обладают свойствами как света, так и обычных материальных частиц
Схематическое изображение экситонного поляритона
Экситонные поляритоны — частицы жидкого света
Идея свето-жидкости родилась еще в конце 1960-х годов. Ее авторами являются два физика: Владимир Моисеевич Агранович (СССР) и Джон Джозеф Хопфилд (США).
Практически одновременно им пришла в голову одна красивая мысль. Представим себе фотон, подлетающий к полупроводниковому кристаллу. Вот он залетел в кристалл, распространяется сквозь кристаллическую решетку. Что с ним может случиться? Это известно: фотон исчезнет, поглотится кристаллом. При этом его энергия будет передана кристаллическому возбуждению, квазичастице, которую называют экситон. Экситон очень похож на атом водорода, только больше размером раз в двести. Экситоны — электрически нейтральные материальные частицы. И они могут сталкиваться, как биллиардные шары.
Самое важное в нашей истории то, что, пожив немного, экситон тоже исчезает. И передает свою энергию новому фотону. То есть появляется фотон, свойства которого ничем не отличаются от свойств старого фотона, который когда-то влетел в кристалл. Превращения экситон--фотон, фотон--экситон могут происходить в любой точке кристалла и в любой момент времени. С точки зрения квантовой механики, нельзя больше разделить экситон и фотон. Эти два кванта образуют новую гибридную квазичастицу — экситонный поляритон. Открытые Аграновичем и Хопфилдом экситонные поляритоны — это и есть квазичастицы жидкого света. Они обладают полным набором неотъемлемых свойств света: характеризуются фазой, поляризацией, длиной волны, могут летать очень быстро. Но при этом они же обладают и свойствами обычных материальных частиц: взаимодействуют с кристаллической решеткой, отталкивают друг друга, ускоряются, замедляются, реагируют на внешние поля.
Поляритонный бум
В 1992 году французский ученый Клод Вайсбуш и японец Ясухико Аракава обнаружили частицы жидкого света в плоских полупроводниковых резонаторах, сделанных из арсенида галлия с алюминием. С тех пор начался поляритонный бум. В 1996 году турецкий ученый Атач Имамоглу и японец Йоши Ямамото показали теоретически, что свето-жидкость может образовывать конденсаты Бозе--Эйнштейна (многочастичные когерентные состояния вещества), на основе которых можно делать новые лазеры — поляритонные лазеры. Мне посчастливилось принять участие в разработке первого поляритонного лазера. Он увидел свет в Саутгемптоне (Великобритания) в 2007 году. Схема действия современного поляритонного лазера показана на рисунке. Носители электрического заряда — электроны и дырки — впрыскиваются в полупроводниковый микрорезонатор через металлические контакты. Встречаясь, они образуют экситоны. Излучая и перепоглощая свет, экситоны рождают свето-жидкость, которая формирует конденсат. Свет, излучаемый таким конденсатом,— это уже лазерный свет: когерентный, монохроматический, поляризованный.
Замена электрического тока световым в компьютерных процессорах позволила бы сэкономить миллиарды долларов
Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант
электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Фотон существует только в движении. Остановить фотон нельзя: он либо
движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует, следо-
вательно, масса покоя фотона равна нулю. Фотону как квантовой частице
свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно
свойства частицы и волны в зависимости от характера проводимого над
ним исследования.
Россия занимает лидирующие позиции
В России первый поляритонный лазер был исследован в лаборатории Владимира Дмитриевича Кулаковского в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке. Результаты были опубликованы в сверхпрестижном журнале Nature в 2013 году. Мне довелось участвовать в строительстве лаборатории оптики спина (СОЛАБ) в Санкт-Петербургском государственном университете в 2011-2017 годах и основать группу Квантовой поляритоники в Российском квантовом центре в 2013-м. Благодаря энергичной деятельности этих лабораторий, а также недавно созданной лаборатории Гибридной фотоники Сколтеха Россия сейчас занимает одну из лидирующих позиций в физике жидкого света. Эта молодая область развивается рекордными темпами. Всего несколько лет прошло после обнаружения сверхтекучести поляритонов и поляритонных вихрей, а уже разрабатывается целый класс приборов, использующих эти и другие удивительные свойства жидкого света. К таким приборам можно отнести бозонные каскадные лазеры, излучающие субмиллиметровые волны, сверхчувствительные гироскопы, оптические интегральные схемы, поляритонные квантовые симуляторы.
Поляритоника — это электроника будущего. Замена электрического тока световым в компьютерных процессорах позволила бы сэкономить миллиарды долларов только на уменьшении тепловых потерь при передаче информации. Я уже не говорю о колоссальном увеличении быстродействия процессоров и перспективах строительства первого полупроводникового квантового процессора.
Заниматься поляритоникой — большое удовольствие. На многочисленных конференциях научного сообщества поляритонщиков мы встречаемся за накрытым столом, вместе катаемся на лыжах, играем в шахматы. Помимо всего прочего, по моим наблюдениям, занятие этой областью физики помогает достичь человеческого и научного долголетия. Почему — это, видимо, одна из загадок природы!
Семья поляритонов
Экситонный поляритон — не единственный представитель этого класса квазичастиц. Поляритоном называют квазичастицу, возникающую при взаимодействии квантов света (фотонов) — с квантами колебаний среды. Взаимодействие фотонов с экситоном порождает экситонный поляритон, при взаимодействии с квантами иной природы возникают фононный, плазмонный, магнонный и другие поляритоны.
Алексей Витальевич Кавокин
В 1992 году окончил Санкт-Петербургский политехнический университет, работал в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. В настоящее время — профессор Университета Саутгемптона (Англия), научный руководитель лаборатории оптики спина Санкт-Петербургского университета, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия). Автор нескольких романов и повестей.