ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПОЛЯРИТОННЫЙ СИМУЛЯТОР
PROGRAMMABLE POLARITON SIMULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к физике поляритонов и конденсатов Бозе-Эйнштейна; созданию и развитию новых подходов к решению сложных вычислительных задач с использованием симуляторов на основе систем связанных поляритонных конденсатов. В частности, настоящее изобретение относится к оптическому методу и системе для настройки и измерения параметров взаимодействия между соседними поляритонными конденсатами.
Предпосылки создания изобретения
Исследование сложных квантовомеханических систем с многими степенями свободы является одним из наиболее важных направлений современной экспериментальной физики, которая распространяется на многие области науки и техники, от информатики до биомедицины. На сегодняшний день существует несколько способов экспериментального исследования природы сложных квантовомеханических систем с большим числом степеней свободы, среди которых отдельное место занимает симулятор, основанный на связанных Бозе-Эйнштейновских конденсатах экситон-поляритонов (далее поляритонов).
В структурах определенного типа, микрорезонаторах, состоящих из многослойных диэлектрических зеркал (распределенных брэгговских отражателей) с выращенными внутри микрорезонатора квантовыми ямами, возможно образование связанных состояний света и вещества - поляритонов. В режиме сильной связи поляритоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, и при достижении критической плотности частиц или температуры могут сконденсироваться в когерентное состояние с одинаковой энергией и импульсом (происходит так называемая конденсация Бозе-Эйнштейна). Поляритонный конденсат представляет собой макроскопический объект, при этом его физические свойства, а также сложные механизмы взаимодействия между связанными поляритонными конденсатами, делают их перспективной платформой для реализации симуляторов с большим числом связанных элементов.
Поляритоны, возникающие в результате сильного взаимодействия излучения с веществом, обладают нелинейными свойствами, которые позволяют использовать поляритонные конденсаты для моделирования различных фаз и гамильтонианов в физике твердого тела. Следовательно, исследуя взаимодействие в системе связанных поляритонных конденсатов можно получить представление о поведении сложных квантовомеханических систем таких, как магнитные системы со случайным взаимодействием Дзялошинского - Мория, неупорядоченные массивы джозефсоновских переходов, вихревые стекла в высокотемпературных сверхпроводниках на основе купратов, магнитные фазы с фрустрацией и другие.
В отличие от известных симуляторов на основе сверхпроводящих кубитов (SQUID) и систем на основе ультра-холодных атомов, которые могут быть реализованы только при температуре близкой к абсолютному нулю, поляритонный симулятор может работать при более высоких температурах, доступных в гелиевых криостатах.
Массивы поляритонных конденсатов с фиксированной геометрией решетки при отображении относительной разности фаз ∆φ между бозе-конденсатами на спин узла, позволяют симулировать процессы, описываемые гамильтонианами типа модели Изинга, XY и другими. Такие спиновые модели являются универсальными, и могут быть использованы для решения ряда задач за пределами физики. Многие многопараметрические оптимизационные задачи могут быть сведены к нахождению основного состояния гамильтониана системы взаимодействующих спинов. Такая задача относится к классу сложности NP. По этой причине оптические решетки бозе-конденсатов являются перспективной платформой для решения оптимизационных задач, требующих быстрого вычисления оптимального решения.
Среди основных достижений в области поляритоники на данный момент стоит выделить развитие платформы поляритонного симулятора для решения ряда оптимизационных задач, увеличение количества связанных конденсатов и разработку методов управления взаимодействием между ними, в том числе при комнатной температуре.
Из уровня техники известны методы [1, 2], в которых контроль над парными взаимодействиями (взаимодействие с ближайшим соседом) осуществляют путем масштабируемости системы, то есть за счёт изменения расстояния между поляритонными конденсатами. Однако, изменение геометрии системы не применимо к решеткам с большим количеством узлов, поскольку приведет к эффективному ограничению на рабочую площадь образца. Таким образом, существует потребность в разработке метода и системы для прецизионного контроля относительной разности фаз между узлами двумерной решетки бозе-конденсатов без изменения геометрии решетки и интенсивности возбуждающего излучения.
Именно решению этих проблем и посвящена настоящая заявка.
Суть изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является решение фундаментальной проблемы прецизионного контроля относительной разности фаз между узлами двумерной решетки бозе-конденсатов без изменения геометрии решетки и интенсивности возбуждающего излучения, как это было предложено делать ранее [1, 2].
Это большой шаг на пути к практическому применению поляритонной платформы, поскольку разработанный принцип управления взаимодействием между узлами решетки снимает ряд ограничений, связанных с масштабируемостью и универсальностью платформы. С новым подходом нет необходимости изменять константу решетки, ограничивая тем самым рабочую область образца.
Технический результат настоящего изобретения состоит в разработке системы для осуществления селективного контроля взаимодействия между соседними и следующими ближайшими соседними узлами (конденсатами) в фиксированной двумерной решетке бозе-конденсатов без изменения геометрии решетки и интенсивности возбуждающего излучения.
В разработанную систему положен принцип, основанный на использовании слабых лазерных пучков, модифицирующих потенциальный ландшафт для поляритонов. Такой подход позволяет с высокой точностью осуществлять контроль фазы комплексного взаимодействия бозе-конденсатов, что успешно продемонстрировано на массивах вплоть до 16 узлов. Крайне важно, что оптически наведенные потенциальные барьеры позволяют осуществить селективный контроль взаимодействия не только между ближайшими узлами (конденсатами) в решетке, но и следующими ближайшими «соседями».
Таким образом, на поляритонной платформе полностью оптическим методом удалось реализовать непрерывный переход из антиферромагнитной фазы в ферромагнитную, а затем в фазу с парной намагниченностью.
Предложенная схема прецизионного контроля относительных фаз бозе-конденсатов позволяет исследовать различные спиновые состояния в физике твердого тела и моделировать процессы в универсальных спиновых моделях с хорошо определенными условиями задачи.
Технический результат достигается за счет того, что поляритонный симулятор включает источник непрерывного одномодового лазерного излучения для формирования путем нерезонансного возбуждения в планарном полупроводниковом GaAs-микрорезонаторе, расположенном в криостате, поляритонных конденсатов, при этом излучение от упомянутого источника проходит через интерференционный фильтр ИФ1 коротковолнового излучения, изолятор Фарадея, полуволновую пластину λ/2, поляризационный светоделитель PBS1, модулируется во времени с помощью акустооптического модулятора АОМ1, расположенного в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием f1, после чего дифрагированный пучок первого порядка коллимируется линзой с фокусным расстоянием f2, проходит через пару сопряженных линз с фокусными расстояниями f3 и f4 с точечным отверстием для пространственной фильтрации и очистки лазерной моды первого дифракционного порядка и направляется зеркалом через перископ на полуволновую пластину λ/2 и поляризационный светоделитель PBS2, с помощью которых он разделяется на две части с ортогональными компонентами поляризации: горизонтально поляризованная составляющая лазерного луча попадает на первый отражающий фазовый пространственный модулятор света SLM1, выполненный с возможностью формирования и контроля конфигурации нерезонансного возбуждения решетки поляритонных конденсатов в полупроводниковом GaAs-микрорезонаторе, а вертикально поляризованная составляющая лазерного луча, отраженная от поляризационного светоделителя PBS2 и зеркала проходит через дополнительную полуволновую пластину λ/2 и попадает на второй отражающий пространственный модулятор света SLM2, выполненный с возможностью формирования и контроля конфигурации решетки потенциальных барьеров в полупроводниковом GaAs-микрорезонаторе, при этом отраженный от первого пространственного модулятора света SLM1 возбуждающий лазерный пучок фокусируется на полупроводниковом GaAs-микрорезонаторе посредством микрообъектива и с помощью двух сопряженных линз с фокусными расстояниями f5 и f6, между которыми установлена четвертьволновая пластина λ/4 и ирисовая диафрагма, а отраженный от второго пространственного модулятора света SLM2 барьерный лазерный пучок попадает на зеркало, полуволновую пластину λ/2 и на поляризационный светоделитель PBS3, который часть излучения отражает для фокусировки на полупроводниковом GaAs-микрорезонаторе посредством микрообъектива и с помощью двух сопряженных линз с фокусными расстояниями f5 и f6, между которыми установлена четвертьволновая пластина λ/4 и ирисовая диафрагма, а другую часть излучения пропускает на камеру для контроля относительной интенсивности создаваемых барьерных лазерных пучков с помощью фазовой маски второго пространственного модулятора света SLM2, причем возбужденная поляритонная фотолюминесценция полупроводникового GaAs-микрорезонатора собирается в геометрии пропускания с помощью собирающего микрообъектива, спектрально фильтруется с помощью интерференционного фильтра коротковолнового излучения ИФ2, проходит через две линзы с фокусными расстояниями f8 и f9 между собирающим микрообъективом и последней фокусирующей линзой с фокусным расстоянием f7, в фокусе которой находится двумерная камера для регистрации возбужденной решетки поляритонных конденсатов и/или потенциальных барьеров, причем возбужденная поляритонная фотолюминесценция полупроводникового GaAs-микрорезонатора и/или барьерный лазерный пучок, направленный на GaAs-микрорезонатор, в режиме отражения с помощью дихроичного зеркала DM1, установленного между фокусирующим микрообъективом и двумя сопряженными линзами с фокусными расстояниями f5 и f6, направляется через светоделитель, отражающий 90% света, интерференционный фильтр коротковолнового излучения ИФ3, на линзу с фокусным расстоянием f10, которая используется для создания изображения в импульсном пространстве в дальнем поле на камере, которая в свою очередь расположена в фокальной плоскости линзы с f11, при этом половина собранной отраженной поляритонной фотолюминесценции направляется в спектрометр после светоделителя (50:50), установленного между парой линз с фокусными расстояниями f10 и f11, и фокусируется на детекторе, расположенном на выходной щели спектрометра.
В некоторых вариантах осуществления поляритонный симулятор дополнительно включает схему гомодинной интерферометрии для измерения относительной фазы между взаимодействующими поляритонными конденсатами.
При этом схема гомодинной интерферометрии включает дополнительный источник непрерывного лазерного излучения для фиксации фазы одного конденсата, резонансный по отношению к энергии поляритонного конденсата, с шириной линии резонансного возбуждения более чем на пять порядков меньше ширины линии поляритонной фотолюминесценции, и интерферометр Маха-Цендера.
При этом часть излучения дополнительного источника непрерывного лазерного излучения регистрируется с помощью камеры, расположенной в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием f14, с возможностью определения положения конденсата для фиксации его фазы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения камера для регистрации возбужденной решетки поляритонных конденсатов выполнена с возможностью контроля интенсивности создаваемых конденсатов. При этом в данном варианте осуществления изобретения поляритонный симулятор включает по меньшей мере один модуль управления, подключенный к камере для регистрации возбужденной решетки поляритонных конденсатов, и который считывает, сравнивает измеренные интенсивности каждого из поляритонных конденсатов между собой и после чего подает управляющий сигнал на фазовую маску первого пространственного модулятора света SLM1.
В некоторых вариантах осуществления изобретения поляритонный симулятор включает по меньшей мере один модуль управления, подключенный к камере для контроля интенсивности создаваемых потенциальных барьеров, и который считывает, сравнивает измеренные интенсивности каждого барьерного пучка между собой и сравнивает их с интенсивностью центрального барьерного пучка, после чего подает управляющий сигнал на фазовую маску второго пространственного модулятора света SLM2.
При этом расстояние между всеми линзами в оптической схеме поляритонного симулятора выбирается таким образом, чтобы задняя фокальная плоскость каждой линзы была сопряжена с передней фокальной плоскостью следующей линзы.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
На фиг. 1 показана экспериментальная установка для управляемого контроля взаимодействия между поляритонными конденсатами в оптических решетках.
На фиг. 2 изображены (а) пространственный профиль интенсивности нерезонансного возбуждающего лазерного излучения для создания ячейки 1x2 из двух поляритонных конденсатов, показанных в (б) координатном и (в) импульсном пространствах. Введение оптическим методом потенциального барьера в профиле возбуждения (г) между двумя конденсатами переключает фазовую конфигурацию системы в антиферромагнитное состояние, что подтверждается изменением интерференционной картины в координатном (д) и импульсном (е) пространствах.
На фиг. 3 (а), (д), (и) изображен пространственный профиль интенсивности нерезонансного возбуждающего лазерного излучения без потенциального барьера, с одним потенциальным барьером в центре ячейки 2x2, и с тремя барьерами, соответственно. Изображения поляритонных конденсатов в координатном (б), (е), (к) и импульсном (в), (ж), (л) пространствах подтверждают переключение фазовой конфигурации ячейки из первоначальной антиферромагнитной фазы в ферромагнитную, с последующим переходом в состояние с парной намагниченностью. Видно, что введение дополнительных потенциальных барьеров на (и) позволяет селективно контролировать взаимодействие между ближайшими узлами решетки, как показано на (к), (л). Экспериментально измеренные распределения относительной фазы показаны фиг. 3 (г), (з), (м) для антиферромагнитной, ферромагнитной и конфигурации с парной намагниченностью соответственно.
Термины и определения
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.
«включает»
«включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий»
В настоящем описании и в формуле изобретения термины ,  и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».
«поляритон»
В настоящем описании и в формуле  является квазичастицей, представляющей собой квантовую суперпозицию фотонной и экситонной компонент в твердом теле.
«соединенный»
Термин  означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).
«первый», «второй», «третий» и т.д.
Кроме того, термины используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты.
Подробное описание изобретения
В целом настоящее изобретение относится к оптической схеме для контроля и измерения параметров взаимодействия (относительной разности фаз) между соседними и следующими ближайшими соседними поляритонными конденсатами в фиксированной оптической двумерной решетке бозе-конденсатов.
Для этого формируют решетку поляритонных конденсатов в условиях нерезонасного фотовозбуждения (с помощью лазера) в плоском микрорезонаторе. При этом пространственный профиль интенсивности возбуждения формируется пространственным модулятором света (SLM). Такой подход делает возможным точный и перезаписываемый контроль профиля возбуждения, что позволяет создавать двумерные массивы поляритонных конденсатов в решетках различной геометрии.
Поскольку зеркала микрорезонатора не являются идеальными, то в системе присутствуют потери энергии. Следовательно, для поддержания плотности поляритонов в конденсате выше критической необходима постоянная подкачка энергии в виде оптического излучения. При этом «время жизни» поляритонного конденсата будет ограничено длительностью лазерного импульса.
Отобразим относительную разность фаз между взаимодействующими поляритонными конденсатами в решетке на классический спин узла решетки. Тогда сфазированные конденсаты обладают нулевым сдвигом по фазе ∆φ=0, и, следовательно, спины таких узлов сонаправлены. Если ∆φ=π, то спины узлов направлены в противоположном направлении.
Каждый из поляритонных конденсатов формируется с помощью лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности. В области оптической накачки происходит формирование экситонного резервуара, который создает отталкивающий потенциал, для поляритонов, которые приобретают определенный импульс. В зависимости от расстояния между взаимодействующими поляритонными конденсатами можно наблюдать различную интерференционную картину между ними. Изменение условий интерференции зависит от относительной разности фаз между конденсатами, которая может быть изменена с помощью дополнительного управляющего лазерного пучка, создающего потенциальный барьер для распространяющихся поляритонов. Такой барьер приводит к эффективному набегу относительной разности фаз, изменяя тем самым фазу комплексной амплитуды взаимодействия. Изменение мощности управляющего пучка позволяет изменять потенциальный ландшафт для поляритонов. Использование оптически наведенных потенциальных барьеров лежит в основе принципа контроля взаимодействия между узлами решетки поляритонных конденсатов.
Реализация этой концепции осуществляется с помощью экспериментальной установки для тонкой настройки параметров взаимодействия в массивах синхронизированных по фазе поляритонных конденсатов. Схема установки приведена на фиг. 1.
0.08
0.92
0.98
0.02
Поляритонные конденсаты были реализованы в планарном полупроводниковом микрорезонаторе под воздействием непрерывного одномодового лазерного излучения. В данном варианте осуществления в качестве образца использовался GaAs микрорезонатор с оптической толщиной 2λ с компенсацией механического напряжения, содержащий три пары квантовых ям InGaAS толщиной 6 нм, помещенных в локальные максимумы электромагнитного поля. Нижнее многослойное покрытие микрорезонатора состояло из 26 пар GaAs и AlAsP, верхний слой состоял из 23 таких пар. Образец поддерживали при постоянной температуре 4 К в гелиевом криостате замкнутого цикла.
2
В данном варианте осуществления использовался одномодовый титан-сапфировый лазер (Ti: Sa-лазер) с энергией излучения 1,5578 эВ. Излучение Ti: Sa-лазера спектрально фильтруется с помощью интерференционного фильтра ИФ1 коротковолнового излучения, чтобы отрезать остаточную фоновую люминесценцию кристалла, присущую Ti: Sa-лазерам, на длине волны фотолюминесценции образца. В качестве источника лазерного излучения могут быть использованы другие одномодовые лазеры непрерывного действия с шириной линии менее 3 МГц с мощностью, достаточной для создания необходимого количества поляритонных конденсатов (из расчета пороговой интенсивности 418 кВт/см на один узел решетки). Необходимая длина волны лазера зависит от используемого микрорезонатора и подбирается путем минимизации пороговой интенсивности для бозе-конденсации поляритонов в образце при фиксированной температуре 4 К. Для устранения эффекта обратной связи при отражении лазерного излучения от оптических элементов в схеме используется изолятор Фарадея, пропускающий свет только в одном направлении. Далее для изменения направления линейной поляризации излучения используют полуволновую пластину λ/2 и с помощью поляризационного светоделителя (PBS1) осуществляют контроль мощности лазерного излучения, используемого для возбуждения образца.
Для подавления теплового нагрева неорганического образца возбуждающий лазерный луч модулируется во времени с помощью акустооптического модулятора (AOM), расположенного в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием f1=30 см. Частота модуляции (5 кГц) и коэффициент заполнения (1 ÷ 5%) контролируются извне с помощью генератора сигналов. Промодулированный по времени пучок первого порядка дифракции дополнительно коллимируется линзой с f2=75 см.
Подбор фокусного расстояния линз осуществляется в зависимости от ширины пучка используемого лазера, активной апертуры акустооптического модулятора и от размера экрана пространственного модулятора света SLM1.
Далее коллимированный лазерный пучок после прохождения акустооптического модулятора (АОМ) проходит через телескоп (пара сопряженных линз c f3, f4) с точечным отверстием для пространственной фильтрации и очистки лазерной моды первого дифракционного порядка. Данная система позволяет скорректировать искаженный профиль дифрагированного пучка эллиптической формы после прохождения акустооптического модулятора и снова сделать его пучком с гауссовым распределением.
В данном варианте осуществления изобретения точечное отверстие («пинхол») размером 30 мкм расположено в фокальной плоскости первой фокусирующей линзы телескопа с f3=7,5 см, при этом f4=10 см. Соотношение используемых фокусных расстояний в телескопе позволяет контролировать диаметр пучка, чтобы заполнить примерно 70% экрана первого пространственного модулятора света SLM1.
Далее лазерный луч с помощью зеркала и перископа (дополнительных двух зеркал) направляется на полуволновую пластину λ/2 и поляризационный светоделитель PBS2, с помощью которых разделяется на две части с ортогональными компонентами поляризации (горизонтальной и вертикальной). Каждая составляющая лазерного луча попадает на соответствующий пространственный модулятор света SLM1 и SLM2. Вращение ориентации полуволновой пластины λ/2 позволяет регулировать относительную мощность компонент поляризации. Перископ и зеркало используются для адаптации высоты модулированного лазерного луча к высоте образца, расположенного в криостате, и для выполнения требований к углу падения лазера на экран пространственных модуляторов света SLM1 и SLM2. Рекомендуется, чтобы значение этого угла составляло менее 5 градусов для уменьшения потерь в эффективности дифракции.
Горизонтально поляризованная составляющая лазерного излучения попадает на первый отражающий фазовый пространственный модулятор света SLM1, который используется для нерезонансного возбуждения решетки поляритонных конденсатов в образце. Пространственный профиль возбуждения полностью контролируется с помощью SLM1, модулирующего падающий лазерный луч с гауссовым профилем интенсивности.
В качестве пространственного модулятора света может использоваться любой известный пространственный модулятор, предназначенный для фазовой модуляции излучения и который, в целом, состоит из основного блока, оснащенного цифровым видеоинтерфейсом и микродисплеем на основе кремниевых ЖК. Адресация к устройству осуществляется через стандартный HDMI интерфейс, настройка яркости и контрастности - через USB интерфейс. Для вычисления цифровых голограмм по изображениям, заданным пользователем, для суперпозиции цифровых голограмм со стандартными функциями, модулятор снабжен программным обеспечением.
Желаемая схема возбуждения образца получается за счет итерационного расчета фазовой маски, примененной к экрану SLM1. Применяемый алгоритм вычисления фазовой маски позволяет рассчитать требуемую конфигурацию для приготовления определенного состояния из конденсатов - возможно задать расстояние между ними, указать их количество и геометрию расположения. Возможность точного контроля и перезаписи профиля возбуждения позволяет управлять массивами поляритонных конденсатов с различной геометрией. Так, с использованием алгоритма вычисления фазовой маски в оптической схеме согласно настоящему изобретению создавались профили возбуждения поляритонных конденсатов в квадратной решетке с разным количеством узлов 1x2, 2x2 и 4x4.
Отраженный от первого пространственного модулятора света SLM1 лазерный пучок (далее - возбуждающий лазерный пучок) фокусируется на образце посредством микрообъектива. Для того, чтобы направить возбуждающий лазерный пучок в микрообъектив на пути пучка располагаются две сопряженные линзы с фокусными расстояниями f5 и f6. Использование сопряженной пары линз позволяет уменьшить размер пятна лазерного пучка на входе в микрообъектив.
Таким образом, SLM1 располагается на расстоянии f5 от линзы с f5, которая сопряжена с линзой с фокусным расстоянием f6. Линза с f6 и фокусирующий микрообъектив также представляют сопряженную пару. В данном варианте осуществления используется микрообъектив 50x с числовой апертурой NA = 0,42. При этом f5 = 50 см, f6 = 15 см.
Между линзами с фокусными расстояниями f5 и f6 установлена четвертьволновая пластина λ/4 для изменения поляризации пучка с линейной на круговую и ирисовая диафрагма, отрезающая ненужные порядки дифракции на пространственных модуляторах света SLM1 и SLM2.
Для визуализации созданной конфигурации решетки поляритонных конденсатов на образце, расположенном в криостате, поляритонная фотолюминесценция (далее - ФЛ) из образца собирается в геометрии пропускания с помощью собирающего микрообъектива 50х с числовой апертурой NA = 0,42.
Решетка поляритонных конденсатов регистрируется камерой с двумерным (2Д) сенсором, которая расположена в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием f7=50 см, фокусирующей изображение на камере (2Д детектор №1). В качестве камеры для детектирования может быть использована, не ограничиваясь, камера с матрицей типа КМОП или ПЗС.
Поляритонная ФЛ спектрально фильтруется с помощью интерференционного фильтра (ИФ2) коротковолнового излучения, подавляющего прохождение нерезонансного возбуждения. Использование такого фильтра позволяет регистрировать на 2Д детекторе №1 сигнал только от поляритонных конденсатов.
Чтобы изменить размер изображения на 2Д детекторе №1, используются две дополнительные линзы с фокусными расстояниями f8 = 30 см и f9 = 40 см между собирающим микрообъективом и последней фокусирующей линзой. Расстояние между всеми линзами выбирается таким образом, чтобы задняя фокальная плоскость каждой линзы была сопряжена с передней фокальной плоскостью следующей линзы. Для сбора сигнала поляритонной ФЛ на камере применяется система зеркал.
thr
thr
2
2
На фиг. 2(б) изображен поляритонный кластер 1x2 (два конденсата), образованный с помощью возбуждающего титан-сапфирового лазера с теми параметрами лазера и системы линз, которые использовались в конкретном примере осуществления. Поляритонный кластер такой размерности или «поляритонная диада» - простейший «строительный блок» оптической решетки поляритонных конденсатов больших размеров. Его можно создать с помощью профиля накачки, состоящего из двух жестко сфокусированных лазерных пятен с FWHM≈1,6÷2 мкм (полная ширина на полувысоте) с расстоянием между ними d≈15.7 мкм. Каждый из двух конденсатов возбуждается при мощности 1,3*P, где P - пороговая мощность, соответствующая пороговой интенсивности (418 кВт/см или 52 кВт/см на квантовую яму), определенной для одного изолированного конденсата с энергией ФЛ 1,4485 эВ.
В процессе бозе-конденсации поляритоные конденсаты приобретают случайные фазы, не связанные с фазой возбуждающего нерезонансного возбуждения. Однако, разность фаз становится фиксированной величиной, поскольку при бозе-конденсации формируется макроскопическое когерентное состояние. Разность фаз между двумя связанными конденсатами может быть извлечена из результирующих интерференционных картин как в координатном, так и в импульсном пространстве. Увидеть изображение в импульсном (Фурье) пространстве можно в геометрии отражения.
Дихроичное зеркало, обозначенное как DM1 на фиг. 1, используется на пути возбуждения и пропускает нерезонансное возбуждение, но отражает собираемую поляритонную ФЛ, которая дополнительно спектрально фильтруется с помощью интерференционного фильтра ИФ3, помещенного после светоделителя (90:10). Светоделитель 90:10 отражает 90% падающего на него света.
Далее, отраженная поляритонная ФЛ проходит через линзу с фокусным расстоянием f10 = 20 см и систему зеркал, которые необходимы для создания изображения в импульсном пространстве в дальнем поле на 2Д детекторе №2, расположенном в фокальной плоскости линзы с f11= 75 см. При этом половина собранной отраженной поляритонной ФЛ направляется в спектрометр, отразившись от светоделителя (BS 50:50), установленного между сопряженной парой линз с фокусными расстояниями f10 и f11, и фокусируется на щели с помощью линзы (f12 = 75 см). Камера (2Д детектор №3), расположенная на выходной щели спектрометра с фокусным расстоянием F = 75 см, детектирует разрешенное по энергии импульсное пространство (дисперсию).
В качестве 2Д детектора может использоваться любая, не ограничиваясь, камера с охлаждаемой до температуры ниже -20 °C ПЗС матрицей.
На фиг. 2(в) показано изображение двух взаимодействующих поляритонных конденсатов в импульсном пространстве. Конструктивная интерференция в координатном пространстве в центре между двумя конденсатами, фиг. 2(б), и изображение ФЛ в обратном пространстве с белой пунктирной линией на фиг. 2(в) указывают на то, что фазы конденсатов синхронизованы с ∆φ=0.
Ниже показано, как с помощью данной оптической схемы возможно осуществить изменение взаимодействия между поляритонными конденсатами.
В качестве примера приведена пара поляритонных кондесатов (1x2). Чтобы переключить фазовую конфигурацию такой системы, вводится дополнительный третий лазерный луч в середине пары конденсатов для создания потенциального барьера. Чтобы минимизировать усиление из-за перекрытия волновых функций поляритонных конденсатов с барьером, используется скрещенное поляризованное по кругу возбуждение для барьера относительно поляризации лазерного излучения накачки конденсатов. Ортогональная конфигурация поляризаций обеспечивает возможность плавной настройки высоты потенциального барьера до того, как на месте его расположения произойдет конденсация. Главным преимуществом предложенного подхода является использование двух независимо контролируемых переналоженных решеток: решетки поляритонных конденсатов и решетки потенциальных барьеров, позволяющих изменять взаимодействие между конденсатами.
Более подробно введение третьего лазерного луча между поляритонными конденсатами в решетке, состоящей из пары конденсатов, описано ниже.
Вертикально поляризованная составляющая лазерного луча, отраженная от поляризационного светоделителя PBS2 и от зеркала, сначала проходит через дополнительную полуволновую пластину λ/2, чтобы стать горизонтально поляризованной, а затем попадает на экран второго отражающего пространственного модулятора света SLM2. Дифрагированный пучок лазера, отраженный от второго пространственного модулятора света SLM2 (далее - барьерный лазерный пучок) попадает на зеркало, полуволновую пластину λ/2 и на поляризационный светоделитель PBS3. После прохождения полуволновой пластины λ/2 и отражения от PBS3, барьерный лазерный пучок приобретает вертикальную поляризацию. Следовательно, возбуждающий лазерный пучок и барьерный лазерный пучок становятся поляризованными по кругу (но в разных направлениях) после прохождения четвертьволновой пластины λ/4, которая расположена между двумя линзами с фокусными расстояниями f5 и f6.
Рассчитанная фазовая маска на экране SLM2 определяет конфигурацию решетки потенциальных барьеров (определяет взаимное расположение и пространственный профиль лазерных пучков, создающих потенциальные барьеры), используемых для настройки связей между поляритонными конденсатами.
Использование лазерных пучков со скрещенной поляризацией для создания конденсатов и барьеров приводит делает возможным переключение состояния поляритонных конденсатов. В частности, барьерный лазерный пучок имеет скрещенную поляризацию для того, чтобы изменить потенциальный ландшафт для поляритонов, которые распространяются навстречу друг другу в поляритонной паре. При одинаковой поляризации барьерного лазерного пучка и возбуждающего лазерного пучка между двумя поляритонными конденсатами образовался бы третий конденсат за счет бозонной стимуляции, то есть состояние системы было бы невозможно переключить.
Также это свойство (скрещенность поляризаций барьерного и возбуждающего пучков) позволяет достичь того, что барьерные пучки могут слабыми. Они меняют состояние системы поляритонных конденсатов, но они не приводят к появлению дополнительных состояний в системе.
Таким образом, использование полуволной пластины λ/2 и поляризационного светоделителя PBS3 позволяет контролировать интенсивность создаваемых барьерных пучков и, следовательно, высоту потенциальных барьеров.
Барьерный лазерный пучок (пучки) идет ровно по такому же пути, что и возбуждающий пучок (пучки). В результате дифрагированные барьерные лазерные пучки, отраженные от пространственного модулятора света SLM2, перекрываются с дифрагированными пучками накачки (возбуждующими лазерными пучками), отраженными от пространственного модулятора света SLM1, и на образце можно увидеть две переналоженные решетки. Одна - решетка барьеров, вторая - решетка поляритонных конденсатов. Изображения переналоженных решеток регистрируются в режиме пропускания 2Д детектором №1 или опционально в режиме отражения на 2Д детекторе №4. На фиг. 2(д) и фиг. 2(е) показано, как меняется взаимодействие между поляритонной парой в координатном и импульсном пространствах при введение третьего барьерного пучка между конденсатами.
На фиг. 3(б) показана создаваемая с помощью пространственного модулятора света SLM1 квадратная ячейка поляритонных конденсатов 2x2. При наложении на решетку поляритонных конденсатов решетки барьеров с помощью пространственного модулятора света SLM2 на изображениях, полученных в режиме пропускания в координатном пространстве и в Фурье-пространстве видно, как меняется взаимодействие между поляритонными конденсатами, если добавить барьерный пучок в центр между конденсатами (фиг. 3(е),(ж)), и, если добавить еще два барьерных пучка более слабой интенсивности, чем центральный барьерный пучок, между поляритонным конденсатами (фиг. 3(к),(л)). Возможность переналожения решетки конденсатов с решеткой потенциальных барьеров в различной геометрии позволяет контролировать не только взаимодействия конденсатов в направлении диагонали ячейки, но и взаимодействия с ближайшими соседями.
Для контроля профиля относительной интенсивности барьерных лазерных пучков в оптической схеме устройства предусмотрена система контроля возбуждающего профиля пучков, формирующих потенциальные барьеры.
Часть излучения, отраженного от пространственного модулятора света SLM2, с помощью поляризационного светоделителя PBS3, попадает на 2Д камеру контроля барьеров (камеру контроля относительной интенсивности барьерных пучков). Барьерные лазерные пучки фокусируются на матрице камеры посредством линзы с фокусным расстоянием f13 (f13=50 см в данном варианте осуществления), следовательно, можно визуализировать создаваемый с помощью пространственного модулятора света SLM2 профиль интенсивности излучения. Таким образом, с помощью данной камеры можно визуализировать барьерные лазерные пучки и контролировать их относительную интенсивность. Для того, чтобы барьеры имели определенную интенсивность в определенных местах между поляритонными конденсатами, используют алгоритм, который позволяет в режиме реального времени обновлять фазовую маску SLM2.
Например, в том случае, если необходимо создать 3 барьерных лазерных пучка и сделать определенное соотношение интенсивности между этим пучками, с помощью модуля управления, выполненного, не ограничиваясь в виде компьютера, направляют управляющий сигнал на второй модулятор SLM2 для увеличения интенсивности центрального барьера, который создается фазовой маской. Модуль управления (не показан на фиг. 1) считывает, сравнивает измеренные интенсивности каждого барьерного лазерного пучка между собой и сравнивает полученные значения интенсивностей с интенсивностью центрального барьерного лазерного пучка, после чего подает управляющий сигнал на фазовую маску второго пространственного модулятора света SLM2.
Следовательно, изменяя мощность возбуждения барьеров и, следовательно, их потенциальную высоту, можно контролировать фазу потока поляритонов в пространстве. На фиг. 3 данная концепция реализована, чтобы продемонстрировать программируемые кластеры 2x2 поляритонных конденсатов. Программируемым симулятором называется система, в которой некоторые параметры, такие как, например, амплитуда и фаза взаимодействия между частицами, могут быть изменены в процессе функционирования. Это расширяет класс задач, которые возможно решить с помощью таких систем.
Вычисление фазовой маски на первом пространственном модуляторе света SLM1 с целью создания конденсатов равной интенсивности осуществляется аналогичным образом.
Рассмотрим процесс реализации решетки поляритонных конденсатов 2x2 более подробно. С помощью камеры (2Д детектор №1) измеряется интенсивность излучения от каждого созданного конденсата в решетки в режиме пропускания. С этой целью в пределах диаметра каждого поляритонного конденсата вычисляется интегральная интенсивность излучения. Полученные значения сравниваются в модуле управления, и на их основании происходит перерасчет фазовой маски пространственного модулятора света SLM1 таким образом, чтобы плотность частиц во всех конденсатах решетки принимала равное значение с наперед заданной точностью. После этой процедуры фазовая маска на первом пространственном модуляторе света SLM1 фиксируется и в дальнейшем для контроля взаимодействия между конденсатами не изменяется.
Далее рассмотрим, как осуществить контроль фазовой конфигурации для созданной фиксированной решетки поляритонных конденсатов 2x2, симулирующей антиферромагнитную фазу (фиг. 3 (б), все спины противоположно направлены). Для этого, изначально с помощью системы контроля возбуждающего профиля барьерных лазерных пучков, создают один гауссовский пучок интенсивности, равной 50% от пороговой интенсивности, как показано на фиг. 3(д), что приводит к изменению условий для интерференции, как показано на фиг. 3(е). Поляритонная решетка, которая симулировала антиферромагнитную фазу, изменила свою конфигурацию и стала симулировать ферроманитную фазу (все спины сонаправлены).
Необходимо отметить, что с помощью введения барьерного лазерного пучка в определенное место поляритонной решетки возможно менять не только взаимодействие между всеми узлами решетки одновременно, но и селективно менять взаимодействие между ближайшими соседями. Так, для дальнейшего изменения фазовой конфигурации решетки поляритонных конденсатов 2x2 добавляют два дополнительных барьерных лазерных пучка с интенсивностью 30% от интенсивности центрального барьерного лазерного пучка между соседними конденсатами (фиг. 3 (и)). Из фиг. 3 (к), (л) видно, что разность фаз между конденсатами с дополнительными барьерами еще раз именилась.
Таким образом, приведенные примеры работы оптической схемы поляритонного симулятора доказывают, что с помощью заявляемого устройства возможно осуществить селективный контроль не только над взаимодействием между ближайшими соседями, но и контроль над следующими ближайшими соседями.
Чтобы дополнительно подтвердить влияние барьера на относительную фазу связанных конденсатов, с помощью разработанной оптической схемы заявляемого устройства реализуют гомодинную интерферометрию, которая позволяет восстановить фазовую карту системы. Данная методика позволяет считывать относительные фазы конденсатов без сканирования. Внедрение гомодинной интерферометрии выгодно для восстановления фазы в тех случаях, когда геометрия решетки приводит к нетривиальной связи между соседними конденсатами.
Дополнительный слабый лазер с непрерывным возбуждением (FWHM 2 мкм), резонансный по отношению к поляритонному конденсату, используется для фиксации фазы одного из конденсатов. Не ограничивая общности, для фиксации фазы поляритонного конденсата можно использовать любой непрерывный одномодовый лазер с перестраиваемой длиной волны в спектральном диапазоне 800-900 нм, выбранной в зависимости от используемой неорганической структуры (образца), с шириной линии генерации менее 3 МГц.
В данной реализации устройства ширина линии резонансного возбуждения (100 кГц) более чем на пять порядков меньше спектральной ширины линии поляритонной ФЛ. Возбуждающее поляритонные конденсаты лазерное излучение и резонансное опорное излучение синхронно промодулированы с помощью акустооптического модулятора. Извлечение относительной фазы в решетке поляритонных конденсатов осуществляется с помощью методов внеосевой цифровой голографии. Данная техника может быть применена как к паре поляритонных конденсатов, так и к кластеру большей размерности.
Лазерный пучок опорного излучения разделятся на две части. Первая часть заводится с помощью перископа и зеркала на образец таким образом, чтобы в результате прохода через полуволновую пластинку, поляризующий светоделитель PBS4, четвертьволновую пластину λ/4 и отражения от дихроичных зеркал DM2 и DM1, сфокусироваться на образце на позиции одного из конденсатов. При этом вторая часть опорного излучения, прошедшая через расширитель пучка и четверть волновую пластину λ/4 (чтобы преобразовать исходную линейную поляризацию излучения в круговую), переналагается в пространстве с фотолюминесценцией образца.
В такой схеме опорное излучение в канале возбуждения используется для того, чтобы сынициировать и зафиксировать фазу одного из конденсатов, который формируется нерезонансным возбуждением. При этом установившаяся в результате нерезонансного возбуждения образца относительная разность фаз между различными конденсатами никак не связана с фазой возбуждающего лазера. Слабый опорный пучок не способен изменить фазовую конфигурацию системы конденсатов и предназначен исключительно для того, чтобы увидеть интерференционную картину на камере.
Фотолюминесценция образца, собранная в отражении, используется для детектирования изображения в Фурье пространстве (пространстве волновых векторов) на камере, обозначенной на фиг. 1 как 2Д детектор №2. Для этого используются дихроичное зеркало DM1, светоделительный куб c коэффициентом отражения 90 %, интерференционный фильтр ИФ3, спектрально отрезающий возбуждающий лазер, а также система направляющих зеркал и фокусирующих линз с фокусным расстоянием 75 см. При этом половина отраженной ФЛ направляется в спектрометр для измерения дисперсии системы в реальном времени. Это необходимо для того, чтобы перестраивать энергию опорной волны в резонанс с решеткой поляритонных конденсатов.
С помощью системы зеркал и дополнительной вспомогательной камеры (2Д детектор №4 на фиг.1) в геометрии отражения можно дополнительно контролировать положение в пространстве сфокусированного на образце опорного лазерного излучения по отношению к возбуждающему излучению.
Таким образом, с помощью барьерных лазерных пучков, геометрия которых контролируется фазовой маской второго пространственного модулятора света SLM2, представляется возможным прецизионно контролировать комплексную фазу взаимодействия поляритонных конденсатов, а с помощью методики гомодинной интерферометрии - измерять карту распределения фазы в пространстве. Следовательно, разработанная оптическая схема поляритонного симулятора позволяет реализовать стратегию точного оптического контроля взаимодействия между поляритонными конденсатами в двумерных массивах.
Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе.
Литература
[1] Ohadi, H. and Gregory, R. L. and Freegarde, T. and Rubo, Y. G. and Kavokin, A. V. and Berloff, N. G. and Lagoudakis, P. G. Nontrivial Phase Coupling in Polariton Multiplets, Phys. Rev. X 6, 031032 (2016).
[2] J.D. Töpfer, H. Sigurdsson, L. Pickup, and P.G. Lagoudakis. Time-delay polaritonics. Commun. Phys. 3, 2 (2020).