Flüssiges Licht für zukünftige Elektronik benötigt

Flüssiges Licht für zukünftige Elektronik benötigt

Alexey Kavokin
"Kommersant Science" №5, Juli 2017

Es scheint, dass zwischen Licht und Flüssigkeit nichts gemeinsam ist. Licht ist ein Strom elektromagnetischer Quanten – Photonen. Im Vakuum bewegen sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit in einer geraden Linie und interagieren nicht miteinander. Eine Flüssigkeit ist eine Menge von Atomen oder Molekülen, die sich zufällig bewegen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, kollidieren, interagieren. Daher Viskosität, Tröpfchenbildung, Whirlpool usw. Unter bestimmten Bedingungen verhält sich Licht jedoch wie eine Flüssigkeit.

Über den Autor

Alexey Kavokin. Im Jahr 1992 absolvierte er die St. Petersburger Polytechnische Universität, arbeitete am Physikalisch-technischen Institut. A. F. Joffe. Zurzeit ist er Professor an der Universität von Southampton (England), wissenschaftlicher Direktor des Spin-Optics-Labors an der Universität St. Petersburg, Leiter der Quantenpolaritonics-Gruppe des russischen Quantenzentrums, wissenschaftlicher Direktor des Mittelmeer-Instituts für Fundamentale Physik (Italien). Der Autor mehrerer Romane und Romane.

"Flüssiges" Licht kann sich sehr langsam ausbreiten und bildet wie Wasser Tropfen und Strudel. Flüssiges Licht ist einfach zu steuern.Es kann aus einem Gefäß in ein Gefäß gegossen werden, um es über Translations- oder Rotationsbewegung zu informieren. Noch wichtiger: Flüssiges Licht kann zur Übertragung von Informationen verwendet werden. In diesem Fall läuft anstelle von Elektronen in Transistoren und Dioden eine elektrisch neutrale Leichtflüssigkeit. Unter bestimmten Bedingungen wird eine solche Flüssigkeit superflüssig: Sie breitet sich ohne Reibung und Viskosität aus, durchdringt kleinste Spalte und umströmt Hindernisse. Wenn Sie die Licht-Flüssigkeit in Ruhe lassen, bildet sie Pfützen oder, wie sie Physik genannt werden, Kondensate. Lichtkondensate sollen in Quantensimulatoren eingesetzt werden: Geräte, die mit Rekordgeschwindigkeit bestimmte Probleme lösen, die für klassische Computer Schwierigkeiten bereiten.

Ein Photon ist ein materielles, elektrisch neutrales Teilchen, ein Quantum eines elektromagnetischen Feldes (ein Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung). Ein Photon existiert nur in Bewegung. Es ist unmöglich, das Photon zu stoppen: es bewegt sich entweder mit einer Geschwindigkeit, die gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, oder es existiert nicht, daher ist die Ruhemasse des Photons Null. Die Welle-Teilchen-Dualität ist charakteristisch für ein Photon als Quantenteilchen, es zeigt gleichzeitig die Eigenschaften eines Teilchens und einer Welle, abhängig von der Art der Forschung, die daran durchgeführt wird.

Exzitonische Polaritonen – Teilchen aus flüssigem Licht

Schematische Darstellung eines Exciton-Polaritons. Ein Exziton, das mit Lichtquanten (Photonen) wechselwirkt, bildet ein neues Quasiteilchen – ein exzitonisches Polariton

Die Idee von Light-Liquid wurde in den späten 1960er Jahren geboren. Seine Autoren sind zwei Physiker: Vladimir Moiseevich Agranovich (UdSSR) und John Joseph Hopfield (USA).

Fast zur gleichen Zeit fiel ihnen ein schöner Gedanke ein. Stellen Sie sich ein Photon vor, das zu einem Halbleiterkristall fliegt. Hier flog er in den Kristall und breitete sich durch das Kristallgitter aus. Was kann mit ihm passieren? Das ist bekannt: Das Photon wird verschwinden, vom Kristall absorbiert werden. In diesem Fall wird seine Energie auf eine kristalline Anregung übertragen, ein Quasiteilchen, das Exziton genannt wird. Ein Exziton ist einem Wasserstoffatom sehr ähnlich, nur mehr als zweihundert Mal. Exzitonen sind elektrisch neutrale Materialteilchen. Und sie können wie Billardkugeln zusammenstoßen.

Exzitonische Polaritonen – Quasiteilchen aus flüssigem Licht – besitzen die Eigenschaften von sowohl leichten als auch gewöhnlichen Materialteilchen

Das Wichtigste in unserer Geschichte ist, dass, nachdem wir ein wenig gelebt haben, auch die Exziton verschwindet.Und es überträgt seine Energie auf ein neues Photon. Das heißt, ein Photon erscheint, dessen Eigenschaften sich nicht von den Eigenschaften des alten Photons unterscheiden, das einst in den Kristall geflogen ist. Die Transformationen eines Exzitons – ein Photon, ein Photon – ein Exziton können an jedem Punkt des Kristalls und zu jedem Zeitpunkt auftreten. Aus Sicht der Quantenmechanik ist eine Trennung von Exziton und Photon nicht mehr möglich. Diese beiden Quanten bilden ein neues hybrides Quasiteilchen – ein Exzitonpolariton. Die von Agranovich und Hopfield entdeckten Exzitonen-Polaritonen sind Quasiteilchen flüssigen Lichts. Sie haben eine ganze Reihe von inhärenten Eigenschaften des Lichts: Sie sind durch Phase, Polarisation, Wellenlänge charakterisiert, sie können sehr schnell fliegen. Gleichzeitig besitzen sie aber auch die Eigenschaften gewöhnlicher Materieteilchen: Sie wechselwirken mit dem Kristallgitter, stoßen sich ab, beschleunigen, verlangsamen, reagieren auf äußere Felder.

Polariton-Familie

Das Exzitonpolariton ist nicht der einzige Vertreter dieser Klasse von Quasiteilchen. Ein Polariton ist ein Quasiteilchen, das aus der Wechselwirkung von Lichtquanten (Photonen) entsteht – mit den Schwingungsquanten des Mediums. Die Wechselwirkung von Photonen mit einem Exziton führt zu einem Exziton-Polariton,Bei der Wechselwirkung mit Quanten anderer Art entstehen Phonon, Plasmon, Magnon und andere Polaritonen.

Polarit-Boom

Im Jahr 1992 entdeckten der französische Wissenschaftler Claude Weisbush und der Japaner Yasuhiko Arakawa Partikel von flüssigem Licht in flachen Halbleiterresonatoren aus Galliumarsenid mit Aluminium. Seitdem begann der Polariton-Boom. 1996 zeigten der türkische Wissenschaftler Attach Imamoglu und der Japaner Yoshi Yamamoto theoretisch, dass Licht-Flüssigkeit Bose-Einstein-Kondensate (Vielteilchen-kohärente Zustände von Materie) bilden kann, auf deren Basis neue Laser, Polaritonenlaser, hergestellt werden können. Ich hatte das Glück, an der Entwicklung des ersten Polaritons-Lasers beteiligt zu sein. Er sah das Licht in Southampton (UK) im Jahr 2007. Das Wirkungsschema eines modernen Polaritonenlasers ist in der Abbildung dargestellt. Elektrische Ladungsträger – Elektronen und Löcher – werden durch Metallkontakte in den Halbleitermikrohohlraum injiziert. Wenn sie sich treffen, bilden sie Exzitonen. Durch die Emission und Rückabsorption von Licht erzeugen Exzitonen Licht-Flüssigkeit, die Kondensat bildet. Das von einem solchen Kondensat emittierte Licht ist Laserlicht: kohärent, monochromatisch, polarisiert.

Diagramm der Wirkung eines Polaritons Lasers.Elektronen und Löcher werden durch Metallkontakte in den Halbleitermikrohohlraum injiziert. Wenn sie sich treffen, bilden sie Exzitonen. Durch die Emission und Rückabsorption von Licht erzeugen Exzitonen Licht-Flüssigkeit, die Kondensat bildet. Das von einem solchen Kondensat emittierte Licht ist Laserlicht.

Russland ist führend

In Russland wurde der erste Polaritonenlaser im Labor von Wladimir Dmitriewitsch Kulakowski am Institut für Festkörperphysik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Tschernogolowka untersucht. Die Ergebnisse wurden in einer renommierten Zeitschrift veröffentlicht. Natur im Jahr 2013. Ich hatte die Möglichkeit, 2011-2017 am Bau des Spin-Optics-Labors (SOLAB) an der St. Petersburger State University mitzuwirken und 2013 die Quantum Polaritonics-Gruppe im russischen Quantum Center zu etablieren. Dank der energischen Aktivitäten dieser Laboratorien, sowie des neu geschaffenen Labors von Skoltech hybrider Photonik nimmt Russland jetzt eine führende Position in der Physik des flüssigen Lichtes ein. Dieser junge Bereich entwickelt sich in Rekordgeschwindigkeit. Nur wenige Jahre sind seit der Entdeckung der Superfluidität von Polaritonen und Polaritonwirbeln vergangen, und es wird eine ganze Klasse von Instrumenten entwickelt, die diese und andere überraschende Eigenschaften von flüssigem Licht nutzen.Solche Vorrichtungen umfassen Bosonen Kaskadenlaser Submillimeterwelle überempfindlich Gyroskope, optische integrierte Schaltkreise, Polariton Quantensimulatoren aussendet.

Polaritonik ist die Elektronik der Zukunft. Strom Beleuchtung in Computerprozessoren zu ersetzen würde Milliarden von Dollar spart nur Wärmeverluste bei der Übertragung von Informationen zu reduzieren. Ich rede nicht über einen enormen Anstieg der CPU-Leistung und die Aussichten für den Bau des ersten Halbleiter-Quantenprozessors.

Das Ersetzen von elektrischem Strom durch Licht in Computerprozessoren würde Milliarden von Dollars sparen

Es ist eine große Freude, sich mit Polaritonik zu beschäftigen. Auf zahlreiche Konferenzen Wissenschaft polyaritonschikov treffen wir uns zum Tisch, mit Skifahren, Schach zu spielen. Darüber hinaus nach meinen Beobachtungen, hilft die Besetzung der Physik und die menschliche Langlebigkeit Forschung zu erreichen. Warum – das ist wahrscheinlich eines der Geheimnisse der Natur!


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

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