Международная группа ученых впервые продемонстрировала, что галогенидные перовскиты могут работать как основа для нелинейных оптических элементов «на чипе». Например, на их основе можно создавать сверхбыстрые оптические чипы и транзисторы, а в перспективе другие интегральные оптические системы. В отличие от других материалов, галогенидные перовскиты способны работать при комнатной температуре и недороги в производстве. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano и поддержаны программой «Приоритет 2030».

Никита Глебов в лаборатории. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS

Для создания оптического компьютера требуются новые элементы интегральной фотоники, в том числе сверхбыстрые оптические чипы. По ним информация передается с помощью фотонов, а не электронов. Частицы света обладают большей пропускной способностью и могут переносить данные на десятки километров практически без затухания и искажений.

Однако передавать данные напрямую от фотона к фотону невозможно из-за линейной природы частиц. Для управления светом с помощью света нужен «посредник» — материал с оптической нелинейностью. Его особенность в том, что его оптические свойства зависят от интенсивности света и, меняя их, можно контролировать прохождение фотонов с информацией — например, блокировать или пропускать их. Устройство нелинейной среды напоминает работу регулировщика на перекрестке: он определяет, какие световые импульсы проедут по «дороге» — материалу с оптической нелинейностью.

В последнее время для создания материала с оптической нелинейностью ученые все чаще используют экситон-поляритоны — гибридные квазичастицы, возникающие при взаимодействии света с электрон-дырочными парами. Они сочетают в себе низкие оптические потери, высокую скорость и когерентность (все фотоны идентичны) от фотонов и высокую оптическую нелинейность от экситонов. Эти свойства делают экситон-поляритоны идеальными кандидатами для сверхбыстрых оптических операций, но существовать эти квазичастицы в большинстве известных материалов могут только при экстремально низких температурах.

Команда исследователей из России, Германии, Швейцарии, Турции и Великобритании впервые продемонстрировала возможность создания оптических элементов на основе экситон-поляритонных волноводов, используя галогенидные перовскиты. В отличие от других материалов, перовскиты просто и дешево изготавливать, а экситон-поляритоны в них существуют даже при комнатной температуре.

«Можно продолжить аналогию с регулировщиком: мы создали волновод, так называемую "улицу" — специальную платформу из перовскита MAPbBr3 толщиной около 100 нанометров. По ней световые импульсы пробегают как машины. Чтобы фотоны "въезжали" и "выезжали" на "улицу", мы сформировали для них элементы ввода и вывода — "съезды" с дороги. Особенность в том, что наша "улица" нелинейная — она меняется под влиянием самих импульсов. Например, фотон-"легковушка" почти не трогает покрытие, а мощный "грузовик" — ультракороткий интенсивный импульс — буквально "проминает асфальт" и вызывает изменение его свойств. Мы впервые исследовали, как именно распространяются такие импульсы в перовскитовых волноводах и показали, что этот материал обладает сильными нелинейными свойствами. Это открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических чипов, где можно будет управлять светом при помощи света — без электроники», — объяснил один из авторов исследования, инженер физического факультета ИТМО Никита Глебов.

Изменяя энергию и частоту входного импульса и анализируя результат на выходе, ученые зафиксировали несколько уникальных нелинейных оптических эффектов для галогенидных перовскитов. Например, импульс может разделиться на два, изменить свою форму и ширину. Также исследование показало, как платформа поддерживает два принципиально разных режима импульса — от формирования оптических солитонов, устойчивых к изменениям при передачи информации, до ударной волны. Контролируя переходы между режимами, ученые могут легко управлять силой нелинейности среды и в перспективе создавать предсказуемые и гибкие сверхбыстрые чипы, транзисторы и другие оптические устройства на базе галогенидных перовскитов.

«Перовскиты — уникальная новая платформа для создания оптических интегральных схем. Они недорогие и позволяют достигать сверхбыстрых и сильных модуляций оптического сигнала. Однако для создания полноценной фотонной интегральной схемы на основе перовскитов еще требуется решить ряд технических задач. В частности, мы работаем над совмещением разработанного дизайна с дополнительным каналом модуляции с помощью оптического или электрического воздействия для реализации оптических вычислений, в том числе создания сверхбыстрого оптического транзистора. Также на новых дизайнах мы продолжаем исследования в области сверхчувствительных газовых сенсоров», — рассказал один из авторов исследования, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО Сергей Макаров.