Группа исследователей из МФТИ, Санкт-Петербургского и Владимирского государственного университетов разработала и теоретически обосновала новую платформу для контроля над гибридными частицами света и материи — экситон-поляритонами. Объединив свойства жидких кристаллов, полупроводниковых перовскитов и мощного вычислительного метода топологической оптимизации, ученые показали, как можно создавать сложные световые поля с заранее заданной структурой, включая полноценные полутоновые изображения и области с различной поляризацией света. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A.
Современная фотоника, наука об управлении светом, стремится к миниатюризации и усложнению оптических устройств. На смену громоздким линзам и зеркалам приходят компактные чипы, способные манипулировать светом на наномасштабе. В авангарде этих исследований находятся экситон-поляритоны — удивительные квазичастицы, представляющие собой гибрид фотона (частицы света) и экситона (квазичастицы, описывающей возбужденное состояние электрона в полупроводнике). Поляритоны наследуют лучшие качества от своих «родителей»: от фотонов они получают легкость и способность быстро перемещаться на большие расстояния, а от экситонов — умение эффективно взаимодействовать друг с другом. Это делает их идеальными кандидатами для создания низкопороговых лазеров, оптических переключателей и даже элементов для квантовых компьютеров.
Однако, чтобы полностью раскрыть потенциал поляритонов, необходимо научиться управлять ими — создавать для них своего рода «ландшафты», которые бы заставляли их концентрироваться в нужных местах и формировать заданные узоры. До сих пор для этого использовались различные подходы: от травления микрорезонаторов до приложения внешних электрических полей. Но каждый из этих методов имел свои ограничения, не позволяя добиться по-настоящему гибкого и независимого контроля над поляритонами с разной поляризацией — одной из ключевых характеристик световой волны.
Российские ученые предложили элегантное решение этой задачи. Их концепция основана на многослойной структуре — оптическом микрорезонаторе, состоящем из двух высококачественных зеркал, между которыми заключен слой жидкого кристалла. Жидкие кристаллы обладают уникальным свойством оптической анизотропии: их молекулы выстроены в определенном порядке, из-за чего свет с разной поляризацией (например, направленной вдоль или поперек этих молекул) «видит» разные среды и распространяется в них с разными скоростями. Это свойство позволило изначально создать в резонаторе два независимых «канала» для ортогонально поляризованных световых мод.
Рисунок 1. Архитектура квантового холста для независимого управления светом. (a) Трехмерная схема устройства, состоящего из двух зеркал и полости, заполненной жидким кристаллом с двумя активными перовскитными слоями (X₁ и X₂). (b) Профили стоячих световых волн для X-поляризации (оранжевый) и Y-поляризации (зеленый) внутри структуры. Из-за анизотропии жидкого кристалла их максимумы смещены. (c) Увеличенное изображение, демонстрирующее ключевой принцип: каждый активный слой расположен в максимуме интенсивности света «своей» поляризации и в минимуме «чужой». Такая «умная» геометрия обеспечивает независимое взаимодействие и позволяет управлять каждым поляризационным каналом отдельно, создавая сложные световые узоры. Источник: Physical Review A.
Секретным ингредиентом системы стали два сверхтонких слоя полупроводникового перовскита, размещенные внутри жидкокристаллического слоя. Перовскиты известны своей способностью к сильному взаимодействию со светом, что необходимо для формирования поляритонов. Но ключевая идея исследователей заключалась в их расположении. Каждый слой был помещен в ту точку резонатора, где электрическое поле одной из поляризованных световых мод максимально, а другой — практически равно нулю. Таким образом, один перовскитный слой стал взаимодействовать почти исключительно со светом X-поляризации, а второй — только с Y-поляризацией. Это позволило впервые добиться независимого управления энергетическими ландшафтами для двух ортогональных поляризаций. А чтобы спроектировать эти ландшафты для получения конкретного результата, исследователи применили метод топологической оптимизации.
Результаты численного моделирования, представленные в статье, впечатляют. В первом эксперименте ученые поставили задачу сформировать в излучении поляритонного конденсата сложные полутоновые изображения, сгенерированные нейросетью DALL-E. Это доказывает, что предложенный метод позволяет не просто создавать бинарные картинки, а кодировать в квантовом состоянии материи сложную аналоговую информацию.
Рисунок 2. От цифрового эскиза к квантовому изображению. Эта серия изображений демонстрирует процесс создания сложных световых узоров с помощью топологической оптимизации. Верхний ряд показывает формирование буквы рисунка для X-поляризованного света: (a) целевое полутоновое изображение, (b) практически идентичное ему распределение свечения поляритонов, полученное в симуляции, и (c) спроектированный для этого энергетический ландшафт (синий цвет — низкая энергия, куда «стекаются» поляритоны). Нижний ряд аналогично показывает создание рисунка для Y-поляризованного света (d, e, f). Ключевым результатом является то, что потенциальные ландшафты (c) и (f) совершенно различны, что доказывает возможность независимого управления двумя ортогональными поляризациями света и превращает устройство в своего рода поляризационно-чувствительный квантовый проектор. Источник: Physical Review A.
Евгений Седов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, рассказал: «Мы не просто создаем бинарные картинки «светло-темно». Наш метод позволяет формировать плавные градиенты интенсивности, по сути, полноценные полутоновые изображения, закодированные в квантовом состоянии материи. Мы решили пойти дальше и научились управлять не только интенсивностью, но и поляризацией в каждой точке пространства».
Во втором, более сложном численном эксперименте, физики смоделировали возбуждение системы циркулярно поляризованным светом, который одновременно создает поляритоны обеих поляризаций, X и Y. Целью было создание единого узора в виде листа клевера, разные части которого обладали бы разным поляризационным состоянием: один «лепесток» должен был излучать свет с чисто X-поляризацией, другой — с Y-поляризацией, а третий — с циркулярной. Алгоритм топологической оптимизации успешно справился и с этой задачей, спроектировав два независимых потенциальных ландшафта, которые работали согласованно. В одной области они подавляли Y-компоненту, в другой — X-компоненту, а в третьей позволяли им существовать на равных, формируя циркулярную поляризацию.
Рисунок 3. Пространственное программирование поляризации света. (a) Общая интенсивность свечения поляритонов. (b) и (c) Распределение интенсивности для X- и Y-поляризованных компонент по отдельности, показывающее их пространственное разделение. (d) и (e) Два согласованно работающих, но разных энергетических ландшафта, которые «сортируют» поляритоны по поляризации. (f) и (g) Карты линейной (S₁) и циркулярной (S₃) поляризации, подтверждающие, что в разных «лепестках» успешно сформированы области с чисто линейной X (красный), линейной Y (синий) и циркулярной поляризацией. Источник: Physical Review A.
Новизна предложенного подхода заключается в комбинации статичной, заранее заданной анизотропии жидкого кристалла с возможностью «рисовать» потенциалы для поляритонов путем локального изменения свойств экситонных слоев. Это создает стабильную, не требующую сложного динамического управления систему для формирования структурированного света. Такой подход преодолевает ограничения предыдущих методов, предлагая надежный путь к созданию поляритонных устройств со сложной, запрограммированной на уровне структуры функциональностью.
Возможность создавать световые поля со сложной пространственной и поляризационной структурой востребована в самых разных областях — от оптических пинцетов и сверхразрешающей микроскопии до систем оптической связи и хранения данных, где поляризация может служить дополнительным каналом для кодирования информации. В более отдаленной перспективе такие системы могут стать основой для оптических нейроморфных сетей и симуляторов сложных квантовых систем.
Исследователи планируют продолжить работу, изучая возможности динамического управления такими системами, например, с помощью внешних электрических полей, которые могли бы изменять ориентацию молекул жидкого кристалла. Это позволит создавать перепрограммируемые поляритонные устройства, открывая новую эпоху в управлении светом на квантовом уровне.
Научная статья: E. Sedov and A. Kavokin, Engineering polariton states through liquid-crystal-induced anisotropy and topology optimization, Physical Review A 112, 013504 (2025), https://doi.org/10.1103/gj31-3wnr.
