Cahaya cecair diperlukan untuk elektronik masa depan

Cahaya cecair diperlukan untuk elektronik masa depan

Alexey Kavokin
"Kommersant Science" №5, Julai 2017

Nampaknya tidak ada persamaan antara cahaya dan cecair. Cahaya adalah aliran kuota elektromagnetik – foton. Dalam vakum, mereka bergerak dalam garisan lurus dengan kelajuan yang sama dan tidak berinteraksi antara satu sama lain. Cecair adalah satu set atom atau molekul yang bergerak secara rawak, dengan kelajuan yang berbeza, berlanggar, berinteraksi. Oleh itu, kelikatan, pembentukan titisan, pusaran air, dll. Walau bagaimanapun, dalam keadaan tertentu, cahaya berkelakuan seperti cecair.

Mengenai pengarang

Alexey Kavokin. Pada tahun 1992 beliau lulus dari Politeknik St. Petersburg, bekerja di Institut Fizikoteknik. A.F. Joffe. Pada masa ini, beliau adalah seorang profesor di Universiti Southampton (England), pengarah saintis makmal spin optik di Universiti St. Petersburg, ketua kumpulan kuarum kuantum Pusat Kuantum Rusia, pengarah saintifik Institut Fizik Asas Mediterranean (Itali). Penulis beberapa novel dan novel.

Cahaya "Cair" boleh menyebar dengan sangat perlahan dan, seperti air, bentuk jatuh dan pusaran air, misalnya. Cahaya cecair mudah dikawal.Ia boleh dicurahkan dari sebuah kapal ke dalam sebuah kapal, untuk memaklumkannya pergerakan translasi atau putaran. Lebih penting lagi: cahaya cecair boleh digunakan untuk memindahkan maklumat. Dalam kes ini, bukannya elektron di transistor dan diod, litar cecair cahaya neutral elektrik. Di bawah keadaan tertentu, cecair tersebut menjadi superfluid: ia menyebar tanpa geseran dan kelikatan, melepasi jurang terkecil, dan mengalir di sekeliling halangan. Jika anda meninggalkan cecair cahaya sahaja, ia membentuk lopak atau, kerana ia dipanggil ahli fizik, kondensat. Kondensat cahaya sepatutnya digunakan dalam simulator kuantum: peranti yang akan menyelesaikan satu set masalah tertentu dengan kelajuan rekod, yang menyebabkan kesulitan untuk komputer klasik.

Foton adalah bahan, zarah elektrik yang neutral, kuantum medan elektromagnet (pembawa interaksi elektromagnetik). Foton hanya wujud dalam gerakan. Tidak mustahil untuk menghentikan foton: sama ada bergerak pada kelajuan yang sama dengan kelajuan cahaya, atau tidak wujud, oleh itu, jisim lain foton adalah sifar. Duality gelombang-zarah adalah ciri foton sebagai zarah kuantum, ia pada masa yang sama mempamerkan sifat-sifat zarah dan gelombang, bergantung kepada jenis penyelidikan yang dijalankan di atasnya.

Polarit elektron – zarah cahaya cecair

Perwakilan skematik polariton exciton. Suatu exciton, berinteraksi dengan quanta cahaya (foton), membentuk partikel kuasi baru – polariton excitonic

Idea cecair ringan dilahirkan pada akhir 1960-an. Penulisnya adalah dua ahli fizik: Vladimir Moiseevich Agranovich (USSR) dan John Joseph Hopfield (USA).

Hampir pada masa yang sama satu pemikiran yang indah berlaku kepada mereka. Bayangkan foton terbang sehingga kristal semikonduktor. Di sini dia terbang ke dalam kristal, menyebarkan melalui kisi kristal. Apa yang boleh berlaku kepadanya? Ini diketahui: foton akan hilang, diserap oleh kristal. Dalam kes ini, tenaganya akan dipindahkan ke pengujaan kristal, kuasi-partikel, yang dipanggil exciton. An exciton sangat mirip dengan atom hidrogen, hanya lebih besar daripada dua ratus kali. Excitons adalah zarah bahan neutral elektrik. Dan mereka boleh bertembung seperti bola biliard.

Kutub-kutub excitonik – kuasi zarah cecair – mempunyai sifat-sifat kedua-dua zarah bahan ringan dan biasa

Perkara yang paling penting dalam sejarah kita ialah, setelah hidup sedikit, exciton juga hilang.Dan ia menghantar tenaga kepada foton baru. Iaitu, foton muncul, sifatnya tidak berbeza dengan sifat foton lama yang pernah terbang ke dalam kristal. Transformasi exciton – foton, foton – exciton boleh terjadi di mana-mana titik kristal dan pada setiap masa. Dari sudut pandangan mekanik kuantum, tidak lagi mungkin untuk memisahkan exciton dan foton. Kedua quanta ini membentuk quasiparticle hibrid baru – polariton exciton. Polariteri exciton yang ditemui oleh Agranovich dan Hopfield adalah kuasi-zarah cahaya cecair. Mereka mempunyai set lengkap ciri-ciri cahaya yang terang: mereka dicirikan oleh fasa, polarisasi, panjang gelombang, mereka boleh terbang dengan cepat. Tetapi pada masa yang sama mereka juga mempunyai sifat-sifat zarah-zarah bahan biasa: mereka berinteraksi dengan kekisi kristal, menangkis satu sama lain, mempercepatkan, melambatkan, bertindak balas kepada bidang luaran.

Keluarga Polariton

Polariton exciton bukanlah satu-satunya wakil kelas partikel kuasi ini. Polariton adalah quasiparticle yang timbul daripada interaksi cahaya quanta (foton) – dengan kuantiti ayunan medium. Interaksi foton dengan exciton menimbulkan polariton exciton,Apabila berinteraksi dengan sifat yang berbeza, phonon, plasmon, magnon dan polariton lain timbul.

Ledakan kutub

Pada tahun 1992, saintis Perancis Claude Weisbush dan Jepun Yasuhiko Arakawa menemui zarah cahaya cecair di resonator semikonduktor datar yang diperbuat daripada galium arsenide dengan aluminium. Sejak itu mula ledakan polariton. Pada tahun 1996, saintis Turki Melampirkan Imamoglu dan Jepun Yoshi Yamamoto secara teorinya menunjukkan bahawa cecair cahaya boleh membentuk kondensat Bose-Einstein (keadaan koheren yang banyak zarah), berdasarkan laser baru yang boleh dibuat – laser kutubit. Saya bernasib baik untuk mengambil bahagian dalam pembangunan laser polariton pertama. Dia melihat cahaya di Southampton (UK) pada tahun 2007. Skim tindakan laser polariton moden ditunjukkan dalam angka tersebut. Pembawa caj elektrik – elektron dan lubang – disuntik ke dalam mikroskop semikonduktor melalui hubungan logam. Apabila bermesyuarat, mereka membentuk excitons. Dengan memancarkan dan menyerap semula cahaya, excitons menghasilkan cahaya cecair, yang membentuk kondensat. Cahaya yang dipancarkan oleh kondensat seperti itu adalah cahaya laser: koheren, monokromatik, terpolarisasi.

Gambarajah tindakan laser polariton.Elektron dan lubang disuntik ke dalam mikroskop semikonduktor melalui hubungan logam. Apabila bermesyuarat, mereka membentuk excitons. Dengan memancarkan dan menyerap semula cahaya, excitons menghasilkan cahaya cecair, yang membentuk kondensat. Cahaya yang dipancarkan oleh kondensat seperti itu adalah cahaya laser.

Rusia adalah pemimpin

Di Rusia, laser polariton pertama disiasat di makmal Vladimir Dmitrievich Kulakovsky di Institut Fizik Pepejal Negeri Akademi Sains Rusia di Chernogolovka. Hasilnya diterbitkan dalam jurnal yang berprestij. Alam pada tahun 2013. Saya berpeluang untuk mengambil bahagian dalam pembinaan laboratorium spin optik (SOLAB) di St Petersburg State University pada 2011-2017 dan menubuhkan kumpulan Quantum Polaritonics di Pusat Kuantum Rusia pada tahun 2013. Terima kasih kepada aktiviti bertenaga makmal-makmal ini, serta makmal fotonik hibrid Skoltech yang baru diwujudkan, Rusia kini menduduki kedudukan utama dalam fizik cahaya cecair. Kawasan muda ini berkembang pada kadar rekod. Hanya beberapa tahun yang berlalu sejak penemuan superfluiditi polariton dan vorteks polariton, dan seluruh kelas instrumen sedang dibangunkan yang menggunakan sifat-sifat ini dan lain-lain yang mengejutkan cahaya cecair.Peranti ini termasuk laser cascade casonic yang memancarkan gelombang submillimeter, giroskop ultrasensitif, litar bersepadu optik, simulator kuarum polariton.

Polaritonik adalah elektronik masa depan. Menggantikan arus elektrik dengan cahaya dalam pemproses komputer akan menjimatkan berbilion ringgit hanya untuk mengurangkan kehilangan haba semasa penghantaran maklumat. Saya tidak membicarakan peningkatan yang besar dalam kelajuan pemproses dan prospek untuk membina pemproses kuantum semikonduktor pertama.

Menggantikan arus elektrik dengan cahaya dalam pemproses komputer akan menjimatkan berbilion ringgit

Ia amat senang untuk terlibat dalam polaritonik. Di banyak persidangan komuniti saintifik kutub, kita bertemu di meja yang diletakkan, bermain ski bersama-sama, bermain catur. Di samping itu, menurut pemerhatian saya, pendudukan bidang fizik ini membantu mencapai umur panjang sains dan saintifik. Kenapa – ini mungkin salah satu misteri alam semula jadi!


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: