Квантовое управление светом как будущее наноразмерных интегральных схем.

Рисунок 1. Когда металл и полупроводник соединяются, они образуют переход Шоттки, создавая область пространственного заряда. В этой области плотность заряженных частиц испытывает флуктуации, которые, в свою очередь, влияют на поведение границы раздела. Используя внешний потенциал смещения (V), мы можем изменить характеристики перехода. Источник.

Мы привыкли щёлкать выключателем, но можем ли мы действительно управлять светом? А ведь научись мы этому, потенциал квантовых информационных и нанотехнологий мог бы оказаться просто беспрецедентным. Представьте себе мир, в котором свет можно тщательно контролировать и манипулировать им в мельчайших масштабах. Устройства станут меньше, а уметь будут больше. Всё, что ни возьми в руки, можно будет снабдить «умной поверхностью», умеющей быть дисплеем или интерфейсом. А может она будет обладать какими-то экзотическими функциями, о которых пока не думали даже фантасты?

Недавние прорывы в квантовых исследованиях всё больше приближают эти фантазии к реальности. Например, поверхностные плазмонные поляритоны (ППП или SPP) открывают огромные возможности для революции в области квантовой оптики. Так, исследователи из Университета Монаша в Австралии, профессор Малин Премаратне и Косала Херат, бакалавр факультета проектирования электрических и вычислительных систем, разрабатывая теоретическую базу использования этих самых SPP, пришли к неординарному выводу: мы можем управлять светом и создать посредством квантовой фотоники электронные устройства наноразмера. Статью об этих воодушевляющих перспективах учёные опубликовали в Scientific Reports.

Поверхностные плазмонные поляритоны.

Чтобы понять это заумное название, давайте представим безмятежное озеро в солнечный день. Когда вы бросаете небольшой камень в воду, он вызывает лёгкую рябь, которая проходит по поверхности. А теперь представьте свет, похожий на эту волнистую рябь. Когда свет сталкивается с границей раздела металла и диэлектрика, он способен генерировать волны, очень похожие на рябь на озере. 

Это явление интригует тем более, что сами световые волны могут взаимодействовать с электронами и другими микроскопическими составляющими металла. К тому же световые волны и электроны синхронизируют свои колебания, порождая SPP-волну.

Эта новая волна грациозно движется по поверхности металла, напоминая рябь того же озера, но воплощённая сущностью света, а не воды. 

SPP обладают исключительными характеристиками. Так, словно маневрируя в лабиринте, они могут проходить через крошечные щели металлической поверхности. Эти и другие отличительные свойства поверхностных поляритонов, ‒ которые, надо сказать, превосходят возможности обычных световых волн, ‒ заставляют учёных пристально изучать их поведение. Потому что, например, способность преодолевать крошечные пространства облегчает разработку наноразмерной электроники, включая даже блоки обработки данных и датчики. Так что достижения, прокладывающие путь к передовым квантовым технологиям, обещающим фантастические возможности, можно сказать уже свершились.

Перекрёсток Шоттки.

Как говорилось в начале статьи, традиционные ППП на границе раздела металла и диэлектрического материала, уже продемонстрировали значительный потенциал в нанофотонике. Однако недавно учёные сделали интригующее открытие, которое добавляет новое измерение этому явлению.

Всё дело в так называемом переходе Шоттки, возникающем на границе раздела, когда металл и полупроводники объединяются (рис. 1). В этом месте происходит нечто экстраординарное: из-за контрастных плотностей носителей заряда между металлом и полупроводником на самом этом переходе возникает отдельная область пространственного заряда. И она настолько значима, что даже изменяет свойства интерфейса, приводя к трансформации поведения SPP. Сами исследователи склоняются к мысли, что они, похоже, обнаружили совершенно новую волну в этой связке, которая и так-то выглядит исключительной.

Рис. 2. В переходе Шоттки металлическая область сталкивается с двумя разными типами падающего света: внешнее поле с линейной поляризацией сверху и с круговой поляризацией снизу. Это явление позволяет нам активно управлять движением поверхностных плазмонных поляритонов (ППП) вдоль границы раздела. Источник.

Квантовое описание одетых СПП на основе перехода Шоттки

Исследовательская группа профессора Премаратне разработала комплексную теоретическую базу, основанную на квантовой теории, которая позволяет точно предсказывать поведение SPP в переходе Шоттки при воздействии внешнего электромагнитного поля (рис. 2), когда метал, образно говоря, «окутывается» им. 

Итак, квантовые принципы позволили получить выражение для диэлектрической функции такого вот «модно одетого» металла. Однако это выражение представляет следствия слишком абстрактно и не проливает свет на то, что именно влечёт за собой «одевание» в этом контексте. 

«Недавние научные открытия показали, что внешнее электромагнитное поле обладает способностью «одевать» или изменять свойства металлов, используя инженерные методы Флоке, ‒ говорят авторы исследования в статье, и добавляют: ‒ Важно подчеркнуть, что эти наблюдения могут быть поняты и объяснены только в рамках квантовой теории».

И вот начинается действительно захватывающая часть: это обволакивающее поле предоставляет мощный инструмент для контроля и улучшения распространения SPP. Оно изменяет функции восприимчивости и диэлектрической проницаемости металла, тем самым изменяя его взаимодействие со светом и другими волнами электромагнитной природы. Регулируя интенсивность, частоту и поляризацию этого внешнего поля, можно точно настроить подвижность электронов внутри металла, и благодаря этому «могуществу», как показали результаты работы, теперь мы можем увеличить расстояние, на которое SPP могут перемещаться без рассеивания энергии. Это достижение имеет решающее значение для создания практически наноразмерных устройств обработки данных в реальных приложениях.

Вопрос «какие последствия все это имеет для нашего мира?» можно считать почти риторическим. Просто дайте волю своему воображению. Представьте себе будущее, в котором невероятно крошечные схемы используют силу света для питания наших устройств. Эти схемы будут демонстрировать исключительную эффективность и обрабатывать информацию с поразительной скоростью. Этот прорыв в управлении и улучшении распространения света в наномасштабе открывает невероятное множество возможностей для будущего квантовых информационных технологий.

Возможность тщательно контролировать световые волны прямиком выводит нас к разработке передовых квантово-фотонных схем и устройств, превосходящих возможности современных электронных компонентов. Представьте себе смартфоны, которые быстрее, меньше и мощнее, чем когда-либо прежде, без особых усилий справляясь со сложными задачами. Представьте себе системы быстрой обработки и обмена данными, которые произведут революцию в телекоммуникациях, вычислительной технике и здравоохранении.

С такими достижениями ландшафт технологий и различных секторов претерпит глубокие изменения. Эти прорывы могут изменить наш мир, обеспечив значительный прогресс в области коммуникаций, вычислений и здравоохранения. Да вообще везде и всюду.

АРМК, по материалам Phys.org.