СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИТОНОВ ПРИ ПОМОЩИ ОДНОГО ФОТОНА
METHOD FOR SWITCHING MACROSCOPIC STATE OF POLARITONS, USING ONE PHOTON

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники, в частности, к способам переключения макроскопического состояния поляритонов при помощи одного фотона.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, US 2005195874 А1, опубл. 08.09.2005 г. Данное решение относится к области вычислительной техники. Более конкретно, решение направлено на органический лазер, обеспечивающий самостимулируемый источник когерентного излучения, исходящего от поляритонов органических микрорезонаторов. Лазер содержит подложку, резонансную микрополость, содержащую слой излучения органических поляритонов; и оптическую накачку.
Вышеуказанное техническое решение направлено на решение проблемы оптического усиления и возможности самостимулированного когерентного излучения. Однако, стоит отметить, что в известном уровне техники, не раскрыта информация об эффективном и полностью оптическом способе сверхбыстрого управления макроскопическими состояниями поляритонов при помощи одного фотона.
Предлагаемое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что предложенный способ обеспечивает управление макроскопическими состояниями поляритонов при помощи одного фотона.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание способа переключения макроскопического состояния поляритонов при помощи одного фотона.
Технический результат заключается в увеличении размера макроскопической волновой функции поляритонов в основном состоянии за счет увеличения числа частиц в конденсате.
Заявленный результат достигается за счет осуществления способа переключения макроскопического состояния поляритонов при помощи одного фотона, содержащего этапы, на которых:
формируют резервуар экситонов посредством оптической накачки с достаточной плотностью, чтобы обеспечить условие спонтанной конденсации поляритонов в основное состояние, причем энергия одного экситона в резервуаре должна превышать собственную энергию одного поляритона в основном состоянии на величину энергии одного молекулярного колебания;
формируют поляритон в основном состоянии посредством резонансной затравки одним фотоном;
оптимизируют пространственное и временное перекрытие между резонансной затравкой и оптической накачкой;
оптимизируют поляризацию резонансной затравки и оптической накачки.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
До сих пор однофотонные переключатели и логические вентили экспериментально доступны только за счет эффектов квантовой интерференции состояний в системах ультрахолодных одиночных атомов и их ансамблей, связанных с высокодобротной модой резонатора.
Экспериментальные сложности реализации таких режимов являются сдерживающим факторами в достижении фундаментального предела работы оптических устройств обработки информации.
Доказано, что существуют такие режимы, при которых виброны могут формировать доминирующий канал релаксации экситонов в поляритонные состояния.
Ранее, впервые экспериментально был реализован режим конденсации поляритонов за один шаг релаксации с использованием интенсивных вибронов с энергией порядка 200 мэВ. Это открыло качественно новые возможности в контроле и управлении поляритонными состояниями. Также, ранее, впервые была осуществлена стимуляция поляритонной конденсации внешним слабым оптическим импульсом. В сочетании с вибронным механизмом релаксации внешняя стимуляция дала возможность формировать Бозе-конденсат поляритонов «по требованию». В результате проведенных исследований был создан первый поляритонный транзистор, работающий при комнатной температуре в нормальных условиях и обладающий субпикосекундным быстродействием в сочетании с рекордным оптическим усилением.
В экспериментах с резонансной и квазирезонасной оптической накачкой (резонансная накачка) использовался перестраиваемый когерентный источник света, длина волны которого настраивалась в резонанс с экситонным резервуаром, поляритонными состояниями, либо же так, чтобы выполнялось условие одноступенчатой конденсации поляритонов за счет колебательных переходов молекул. При этом резонансное возбуждение предполагает не только точно заданную длину волны, но и определенный угол падения пучка на поверхность микрорезонатора. Для этого использовался гониометр, который задавал угол накачки с точностью менее 1°. Такая точность необходима для исследования роли когерентных процессов возбуждения на фоне некогерентной накачки. Длительность импульса оптической накачки на выходе из перестраиваемого источника фиксированная 100-200 фс, однако, имеется возможность изменять ее в широком диапазоне (до 10 пс) за счет использования пассивных оптических элементов с заданной дисперсией групповой скорости (GVD).
Проведены аналогичные исследования пространственного и импульсного распределения конденсата поляритонов, а также основных спектральных и энергетических свойств конденсата в зависимости от энергии импульсов резонансной накачки при различных размерах пучка на образце (от единиц до сотен мкм) во всем допустимом диапазоне экситон-фотонных расстроек. Основной мотивацией для проведения вышеуказанных экспериментов являлось установление влияния нелинейного потенциального ландшафта на пространственное и импульсное распределение конденсата поляритонов, определение корреляции между порогом конденсации поляритонов и размером экситонного резервуара, определения роли когерентных процессов возбуждения и влияние вибронов на заполнение поляритонных состояний.
На следующем этапе исследовался процесс стимулированной конденсации поляритонов в возбужденные состояния за счет формирования населенности в заданном состоянии поляритонов внешним слабым оптическим пучком.
В качестве слабого оптического сигнала использовался широкополосный стимулирующий 100 фс импульс (white light continuum seed pulse). Стимулирующий импульс был соответствующим образом отфильтрован, была задана определенная поляризация. Таким образом был сформирован затравочный импульс. Необходимо отметить, что поляризация затравочного импульса должна совпадасть с поляризацией оптической накачки. При конфигурации возбуждения под углом 45 градусов, была выбрана горизонтальная поляризация, так как обеспечивала максимальную эффективность переключения. Однако возможны альтернативные схемы с нормальным падением оптической накачки, в таком случае поляризация пучков может быть произвольной, но одинаковой. Важно, чтобы поляризация была линейная. В случае линейной поляризации оптической накачки было обнаружено, что выше порога конденсации излучение наследует поляризацию накачки, тогда как ниже порога оказывается полностью неполяризованным. Такое поведение связано с наличием межмолекулярных взаимодействий, которые приводят к переносу энергии с одной молекулы на другую. При возбуждении круговой поляризаций, излучение ниже порога является неполяризованным, в то время как выше порога наблюдается стохастическое поведение: поляризация изменяется прыжками от одного значения к другому. Стохастическое поведение можно наблюдать только в режиме возбуждения и детектирования одиночных импульсов, в случае возбуждения и детектирования серией импульсов данные особенности усредняются, так что в среднем получается неполяризованное излучение. Роль поляризации пучков обусловлена тем, что базис собственных поляризаций оптических переходов в органических материалах является линейным, что и определяет преимущественно линейную поляризацию излучения. Малое межмолекулярное расстояние в плотных органических пленках приводит к быстрому перераспределению энергии между всеми возможными молекулами вне зависимости от исходной ориентации напряженности электрического поля накачки, в результате, ниже порога излучение оказывается неполяризованным. По этой причине, для того чтобы достичь максимального эффекта от затравочного пучка и минимизировать нежелатальный процесс переноса энергии между молекулами необходимо использовать соноправленные линейные поляризации для затравочного и накачивающего оптических пучков.
Возможность однофотонной стимуляции конденсата в основное состояние.
Исследованы амплитудные распределения одиночных стимулированных реализаций конденсатов.
В предшествующих экспериментах была обнаружена чрезвычайно высокая скорость конденсации поляритонов в основное состояние ~100 фс.
В рамках настоящего технического решения, исследовалась скорость конденсации поляритонов в возбужденные состояния.
Для осуществления поляритонного состояния, сначала формировался резервуар экситонов с помощью резонансной оптической накачки, которую направляли на образец под углом 45 градусов, для минимизации потерь на отражение. За счет этого, экситоны из резервуара претерпевают множественные релаксационные процессы к различным конечным состояниям, включая поляритоны, за счет внутрирезонаторной радиационной накачки и термализации с помощью вибронов.
Данный этап способствует эффективной релаксации экситона к поляритону в органических системах, демонстрирующих интенсивные колебательные резонансы, и делает возможной конденсацию поляритонов при гораздо более низкой энергии возбуждения. В таких оптимизированных условиях достигается конденсация поляритонов.
Реализация схемы однократного измерения, позволяет проводить анализ энергии конденсата от импульса к импульсу. На данном этапе обнаруживается распределение конденсата в реальном пространстве. При реализации схемы, выполняются измерения, заполняя основное состояние для 300 последовательных импульсов, затем выключается затравочный луч, обеспечивая 300 реализаций спонтанно образовавшихся поляритонных конденсатов, далее вся последовательность повторяется снова.
Четкий контраст для реализаций с одним конденсатом со средним значением около 350%, 160%, 60%, 25% и 11%, оцененных для затравочных импульсов, содержащих 600, 60, 9,3, 2,7 и 1 фотонов в импульсе соответственно.
Статистический анализ 900 реализаций проясняет эффект однофотонного контроля над общей популяцией поляритонов в конденсате, индуцированный каждым затравочным импульсом. Результаты реализации единичного конденсата согласуются с интегрированными измерениями.
Общий механизм, обеспечивающий нелинейность на квантовом пределе, - это принцип бозонной стимуляции, свойственный экситон-поляритонным системам независимо от их природы. Вышеуказанная информация убедительно демонстрирует однофотонный контроль за заполнением поляритонами конденсата с беспрецедентным усилением ~23000 вторичных поляритонов на один резонансно инжектированный затравочный поляритон.
Впервые, экспериментально продемонстрировано в условиях окружающей среды сверхбыстрое переключение однофотонного поляритонного конденсата с контрастом ~11% после анализа одиночных реализаций конденсата и ~20% по интегрированным измерениям.
Органические материалы предлагают большой потенциал для интеграции на чип вместе с их идентичными химическими и оптическими характеристиками, которые можно легко изменять в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного спектра. В конечном счете, это открывает новые горизонты для полностью оптических манипуляций, обработки данных и детектирования сигналов на однофотонном уровне, связывая квантовые свойства света с классическими явлениями массово заполненных состояний, такими как смешанные световые конденсаты Бозе-Эйнштейна.
Для максимизации эффективности воздействия на конденсат, оптимизируется пространственное и временное перекрытие между затравочным и насосным пучками соответственно.
Далее ослабляется затравка до уровня 460 АДж на импульс, соответствующего ~1140 поляритонов. Такая предварительная организация заселенности основного поляритонного состояния резко увеличивает скорость релаксации экситона к поляритону, что в свою очередь позволяет проводить конденсацию поляритонов при вдвое меньшей плотности резервуара экситонов и увеличивать заполнение полных состояний. В соответствии с зависимостью мощности накачки, резонансная затравка приводит к интегральному излучению в 50 раз выше по сравнению со спонтанным.
Во всех измерениях временное и пространственное перекрытие между управляющим лучом и пучком накачки было оптимизировано за счет максимизации сигнала выходного нелинейного излучения образца. Временное перекрытие варьировалось с помощью моторизованного трансляционного столика с ретрорефлектором на оптическом пути затравочного луча.
Далее рассмотрим процесс создания экспериментальных образцов органических микрорезонаторов, в которых реализован способ переключения макроскопических состояний поляритонов при помощи одного фотона.
Образец состоит из распределенного брэгговского отражателя (DBR), области дефекта центральной полости с эффективной толщиной, не превышающей половину длины волны экситона, и верхний DBR на подложке из плавленого кварца. DBR состоят из чередующихся SiO2 / Ta2O5 четвертьволновых слоев, сформированных методом напыления (9 + 0,5 пар для нижнего torn DBR, 6 + 0,5 для верхнего DBR). Полость резонатора состоит из полимерного слоя, заключенного между 50-нанометровыми промежуточными слоями распыленного SiO 2. Si02 спейсер напыляется на органику с помощью Si02 мишени для распыления. Метилзамещенный поли (п-фенилен) лестничного типа (MeLPPP; М п = 31500, г. М w = 79000) был синтезирован. MeLPPP растворяют в толуоле и наносят центрифугированием на нижний разделительный слой. Толщина пленки примерно 35 нм измеряется профилометром (Veeco Dektak). Спектроскопия. Луч накачки с длительностью импульса 150-200 фс генерировался перестраиваемым оптическим параметрическим усилителем (Coherent OPerA SOLO), который накачивался высокоэнергетическим регенеративным усилителем Ti: Sapphire (Coherent Libra-HE) с частотой 500 Гц. Центральную длину волны отрегулировали относительно экспериментов при 2,72 эВ, имея 30 мэВ полную ширину на полумаксимуме (FWHM). Импульсы фокусировались на образец до 20 мкм под углом 45 градусов. Отфильтрованный широкополосный континуум белого света (WLC), генерируемый в сапфировой пластине с энергией фотонов в диапазоне 2,45-2,6 эВ, использовали в качестве затравочного луча с длительностью импульса 150-250 фс. Затравочный пучок фокусировался на образец при нормальном падении до 5 мкмм с микрообъективом (10х Nikon, 0,3 NA), который позволяет засеять основное состояние поляритона в диапазоне волновых векторов ± 0,2 мкм - 1.
^
^
Во всех измерениях временное и пространственное перекрытие между управляющим лучом и пучком накачки было оптимизировано за счет максимизации сигнала выходного нелинейного излучения образца. Временное перекрытие варьировалось с помощью моторизованного трансляционного столика с ретрорефлектором на оптическом пути затравочного луча, обеспечивающего точность перекрытия на уровне 10 фемтосекунд. В качестве альтернативной реализации можно использовать аналогичную оптическую линию задержки в пути оптической накачки. Вместе ретререфлектора можно использовать два зеркала, настроенных таким образом, чтобы при смещении линии задержки оптический пучок накачки не изменял бы своего положения на экспериментальном образце. Для осуществления пространственного перекрытия необходимо использовать стандартные держатели зеркал с микрометровыми винтами регулировок, а также обеспечить достаточное оптическое увеличение системы, так чтобы пространственное разрешение на камере составляло порядка 1-2 микрометров. Приведенные ниже конкретные параметры оптической системы сбора, не являются уникальными, возможны иные реализации, которые удовлетворяют вышеуказанным требованиям. Выходное излучение образца собирали с помощью 10-х объектива Mitutoyo plan аро infinity (NA=0,28) и соединяли со спектрометром 750 мм (Princeton Instruments SP2750), оснащенным камерой на основе ПЗС-матрицы с электронным умножением (Princeton Instruments ProEM 1024ВХ3). Спектральное разрешение достигалось с использованием решетки 1200 штрихов / мм и ширина щели 50 мкм у входа в спектрометр. Чтобы получить плотность падающего возбуждения импульса накачки, средняя мощность накачки измерялась с помощью калиброванного кремниевого фотодетектора (Thorlabs-Det10 / М) и осциллографа (Keysight DSOX3054T) для сбора данных. Проверка точности измерений мощности проводилась с помощью двух независимых измерителей мощности: 1 - кремниевый фотодиодный датчик мощности (Thorlabs-S120VC) с консолью измерителя мощности (Thorlabs-PM100D), 2 - тепловой датчик мощности (Thorlabs-S302C), оснащенный контроллером измерителя мощности (Thorlabs-PM100D). Энергия затравочного луча была откалибрована с использованием стандартных измерений измерителя мощности и дополнительно проверена методом подсчета одиночных фотонов с использованием модуля подсчета фотонов (SPC-160, Becker & Hickl GMBH) и однофотонного лавинного кремниевого фотодиода (IDQ 100). Все измерения выполняются при одинаковой падающей плотности энергии накачки = 80 мкДж/см2 для минимизации уровня шума, возникающего из-за колебаний мощности накачки и высокой нелинейности процесса выше порога конденсации. Одиночные реализации конденсатов поляритонов исследовались с помощью путем дектирования распределения конденсата в реальном пространстве. Изображения записывались с помощью ПЗС-камеры с электронным умножением 100. в режиме регистрации одиночных кадров. Для того, чтобы избавиться от плотности неконденсированных поляритонов, было отфильтровано выходное излучение выше ± 1 мкм - 1 в пространстве Фурье. Реализации одиночного конденсата были зарегистрированы путем заполнения основного состояния для 300 последовательных импульсов с последующими измерениями затравочного пучка, которые позволяют реализовать 300 реализаций спонтанно построенных конденсатов поляритонов. Вся последовательность повторялась трижды для каждой энергии затравочного импульса. Энергия затравочных импульсов была стабилизирована на уровне стандартного отклонения 2%. Для уменьшения шума, вызванного колебаниями накачки, осуществлялась регистрация энергии падающих импульсов для каждой реализации конденсата с помощью калиброванного Si-фотодетектора и осциллографа, а затем извлекались только реализации в пределах 2% допуска. Статистический анализ и расчет контраста одиночной реализации были выполнены путем обработки всех реализаций так, чтобы число отобранных событий составляло 900 для спонтанно созданных и 900 для засеянных реализаций конденсата.
Теоретическая модель, описывающая процесс переключения макроскопического состояния поляритонов.
Модель построена на основе развитой авторами микроскопической теории экситон-поляритонной конденсации за счет вибронов, Модель учитывает тонкий органический активный слой (MeLPPP), помещенный в резонатор, возбуждаемый внешней волной, соответствующей лучу накачки. Волна накачки вызывает переход дипольного момента органических веществ, создавая экситоны типа Френкеля. В свою очередь, экситоны взаимодействуют как с вибронами, так и с модами резонатора.
^
Поляритоны и виброны взаимодействуют с окружающей средой, что, в свою очередь, инициирует релаксационные процессы. Релаксационные процессы описаны в рамках формализма супероператоров Линдблада для общей матрицы плотности ρ как поляритонов, так и вибронов.
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.