Ученые сделали новый шаг к созданию оптического компьютера

Группа ученых задержала фотонное эхо на рекордное время

Эффект фотонного эха, задержанный на рекордно долгое время, в наноструктурах на основе полупроводников получила группа российских и зарубежных учёных. Статья об этом опубликована в недавнем номере Nature. Работа может стать еще одним шагом к созданию оптического компьютера.

Оптический компьютер, в котором сигналы передаются не электрическим током, а светом, сверхскоростной и с низким уровнем рассеяния энергии… Создать такую машину давно пытаются учёные развитых в научном и технологическом отношении стран. Но для этого требуется решить целый ряд сложных задач. Одна из них – создание оптической памяти, с помощью которой «компьютер будущего» приобрёл бы возможность хранить информацию.

Работа над созданием оптической памяти, надо отметить, тоже ведется не без успеха. Уже созданы несколько вариантов, в частности, квантовая память на атомах цезия или рубидия в газах и твёрдотельной матрице, на одиночных атомах в микрорезонаторе, а также в алмазе. Все они имеют определённые достоинства, например, могут довольно долго хранить информацию (до миллисекунд) и иногда оперировать при комнатной температуре.

Однако хорошо известно, что атомарные переходы отличаются сравнительно слабой силой взаимодействия со светом, в результате чего память работает не так быстро: время записи и считывания информации лежит в наносекундном диапазоне, что является далеко не рекордным.

Другой нетривиальный подход для разработки оптической памяти – это полупроводниковые наноструктуры с квантовыми ямами – двумерными системами, в которых частицы могут двигаться не в трех измерениях, а только в двух – то есть в какой-то плоскости.

Такие структуры, наоборот, эффективно взаимодействуют со светом, а их время записи и считывания оптической информации может составлять единицы пикосекунд, то есть быстрее на несколько порядков.

Правда, у полупроводников тоже имеется один существенный недостаток – неспособность продолжительное время помнить заданное светом состояние. Иными словами, «память» у них очень короткая – «запись о состоянии» исчезает очень быстро. На сегодняшний день рекордом хранения световой информации в таких материалах были лишь несколько сотен пикосекунд. Причина – в слишком коротком времени жизни самих оптических возбуждений в таких средах. До сих пор оставалось неясным, есть ли способы перешагнуть этот барьер.

Группа учёных из Санкт-Петербургского государственного университета и Технического университета Дортмунда доказала, что это можно сделать, получив на полупроводниковом материале эффект фотонного эха, задержанного на время, которое в тысячу раз превышает время жизни оптических возбуждений в этом материале.

«Эффект фотонного эха используется для считывания оптической информации, – разъясняет один из участников исследования, постдок лаборатории Оптики спина СПбГУ Сергей Полтавцев. – Этот эффект проявляется следующим образом. Если некоторую резонансную среду сперва облучить одним коротким лазерным импульсом света, а затем через некоторое время – вторым таким же импульсом, то после этого среда сама испустит импульс света через то же самое время. Это и есть «фотонное эхо». То время, на которое могут быть задержаны между собой эти импульсы света, и отражает период хранения информации о первом световом импульсе в среде. В полупроводниковых материалах он не превышает десятков или сотен пикосекунд. В таких средах, однако, существуют и другие каналы, способные хранить ту же самую информацию, но гораздо дольше. Это спины избыточных электронов в среде. Когда в полупроводнике поглощается фотон, тут же рождается оптическое возбуждение – электрон-дырочная пара, которая наследует спин этого фотона. Направление этого спина задаёт намагниченность среды, и эта намагниченность может храниться даже после того, как электрон и дырка рекомбинируют. Таким образом, с помощью света можно также «программировать» и магнитное состояние среды, которое может храниться достаточно долго».

Усилия учёных были направлены на то, чтобы всю оптическую информацию, которую несёт короткий импульс света, передать спинам избыточных электронов в квантовой яме и хранить её там гораздо дольше, чем живут сами электрон-дырочные пары, а затем считывать эту информацию, опять же, в виде импульса света.

«На образце полупроводниковой квантовой ямы нам впервые удалось получить эффект фотонного эха, время задержки которого превышает в тысячу раз время жизни оптического возбуждения в этой наноструктуре. Для такой демонстрации использовались три коротких лазерных импульса. Первый импульс нёс интересующую нас «оптическую информацию», которую мы хотели сохранить; вторым пучком эта информация записывалась в подсистему спинов электронов в квантовой яме; третьим импульсом, задержанным на несколько десятков наносекунд, эта информация успешно считывалась в виде «фотонного эха», которое испускала сама квантовая яма. При этом образец квантовой ямы был помещен во внешнее магнитное поле, что и позволяло надолго задерживать фотонное эхо», – рассказывает Сергей Полтавцев.

Продемонстрированный принцип конверсии оптической когерентности в спиновую когерентность и обратно универсален и, как утверждают авторы исследования, может быть реализован и в других системах, в которых время хранения информации может быть достаточно велико, чтобы иметь интерес с точки зрения приложений. Так, например, время релаксации спина в квантовых точках может достигать нескольких микросекунд, а ядерные спины могут помнить свое состояние часами! Эти возможности ещё не изучены и представляют большой интерес для дальнейших исследований по созданию долгоживущей оптической памяти.

Источник: «Наука и технологии России»