КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-72-10145

НазваниеОрганическая поляритоника: исследование нелинейных взаимодействий и квантовых эффектов Бозе-конденсатов френкелевских экситон-поляритонов.

РуководительШишков Владислав Юрьевич,

Прежний руководитель Заседателев Антон Владимирович, дата замены: 31.10.2022

Организация финансирования, регионАвтономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаФренкелевские экситон-поляритонов, Бозе-конденсат, экситоны Френкеля, сильная связь, органические микрорезонаторы, сверхтекучесть поляритонов, нелинейная динамика конденсатов, распространение Бозе-конденсатов, взаимодействие поляритонных конденсатов, оптические решетки, оптическая логика, оптические вычислительные устройства

Код ГРНТИ29.00.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Настоящий проект направлен на установление механизмов распространения и взаимодействия Бозе-конденсатов френкелевских экситон-поляритонов в органических микрорезонаторах. Экситон-поляритоны это квазичастицы, возникающие в микрорезонаторах с сильным взаимодействием света и вещества. В настоящий момент физика поляритонов в значительной степени исследована в неорганических материалах на основе III-V полупроводников, где оптическое возбуждение приводит к формированию экситонов Ванье-Мотта с боровским радиусом многократно превышающим постоянную решетки в полупроводнике. Данная особенность наделяет поляритоны способностью взаимодействовать друг с другом, что открывает уникальные экспериментальные возможности для наблюдения Бозе-Эйнштейновской конденсации, сверхтекучести, топологически защищенных состояний, спиновой мультистабильности, поляритонной блокады и многих других явлений, прежде доступных исключительно при охлаждении сред до экстремально низких температур. В отличие от неорганических полупроводников, экситоны в органических материалах являются сильно локализованными и обладают высокой энергией связи (~0,5 эВ). Такие экситоны также известны как экситоны Френкеля. В режиме сильного взаимодействия света с органическим веществом в микрорезонаторе возникают новые состояния - френкелевские экситон-поляритоны. Благодаря высокой энергии экситон-фотонной связи поляритоны в органических материалах остаются стабильными при значительных тепловые флуктуациях, присущих высоким температурам (>300K). Несмотря на значительные успехи в физике френкелевских экситон-поляритонов: в частности, экспериментально реализованы Бозе-конденсат и сверхтекучесть поляритонов при комнатной температуре, фундаментальные причины и следствия динамики процесса Бозе-конденсации в органических системах остаются плохо изученными. Вместе с тем, процесс конденсации играет определяющую роль в понимании коллективных явлений в поляритонных системах на основе органических материалов. Это является важным не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения, поскольку данные знания необходимы для развития оптоэлектронных устройств, работающих на принципах сильной связи света с веществом при комнатной температуре. Усилия коллектива будут сфокусированны на решении следующих научных проблем: установление микроскопических механизмов стимулированной и спонтанной конденсации поляритонов, определение динамики процессов и исследовании квантовых явлений, связанных с конденсацией и нетривиальными корреляциями между отдельными поляритонными и экситонными состояниями; установление механизмов распространения когерентных поляритонных потоков и поиск режимов для наблюдения межконденсатного взаимодействия в системах с фенкелевсикими экситон-поляритонами. Особенность проекта состоит в применении передовых экспериментальных методов изучения поляритонных Бозе-конденсатов, многие из которых развиты и впервые реализованы авторами Проекта, а также использовании оригинальных теоретических подходов для интерпретации экспериментальных данных, установлении механизмов и построении моделей, описывающих процесс конденсации, распространение и взаимодействие Бозе-конденсатов френкелевксих экситон-поляритонов в органических материалах. Данные исследования будут проведены впервые, и позволят заложить физические основы поляритоники, работающей в нормальных условиях.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены оригинальные результаты исследований динамики Бозе-конденсатов френкелевских экситон-поляритонов, которые будут составлять основу принципов работы поляритонных устройств. Будут экспериментально исследованы зависимости заполнения поляритонных состояний до и после порога конденсации, разработана микроскопическая теория описывающая динамику заполнения состояний и термализацию поляритонов в Бозе-конденсате, выявлены ключевые параметры определяющие эффективность внешней стимуляции на формирование конденсатов поляритонов с заданным квазиимпульсом (далее, просто импульс). Будет установлено влияние латерального размера и экситонной фракции волновой функции конденсата поляритонов на энергию и импульс конденсата. Мы ожидаем, что за счет нелинейности во взаимодействии экситонов с модой резонатора локальное увеличение потенциальной энергии экситон-поляритонов может быть преобразовано в кинетическую энергию, приводя к распространению поляритонов с хорошо определенным импульсом. Проведенные исследования зависимости потенциальной энергии конденсата от параметров сильной связи и размеров экситонного резервуара подтверждают сделанные предположения об эффективном нелинейном взаимодействии френкелевских экситон-поляритонов. Исследование поляризационных свойств конденсата позволит определить роль процессов межмолекулярного переноса энергии в динамике Бозе-конденсации и интегральном нелинейном отклике системы. Мы полагаем, что суперпозиция таких факторов как параметры оптической накачки, природа и скорость каналов релаксации из экситонного резервуара в поляритонные состояния, время жизни поляритонных состояний и кросс-корреляции между различными состояниями, а также эффективность межмолекулярных взаимодействий и доля сильно связанных молекул будут определять энергетические и спектральные свойства Бозе-конденсата, амплитуду нелинейного потенциала и импульсное распределение конденсата, а также степень межконденсатного взаимодействия. Таким образом, в ходе выполнения проекта мы надеемся определить механизмы возбуждения Бозе-конденсата френкелевских поляритонов и его распространения. Большую долю проекта составят исследования стимулированной Бозе-конденсации поляритонов внешним пробным импульсом. В продолжение исследований, посвященных управляемой конденсации, мы установим минимальную энергию пробных импульсов необходимых для переключения состояний конденсатов. Принцип бозонной стимуляции, который лежит в основе работы разработанного авторами Проекта поляритонного транзистора, позволяет переключать состояния с помощью одиночных фотонов. Однако на практике фундаментальный предел может быть ограничен динамикой возбуждения и релаксации конденсата, в ходе проекта мы исследуем возможность полностью оптического переключения на уровне одиночных фотонов. Мы проведем исследования амплитуды и фазы стимулированного конденсата при разных настройках возбуждения/системы и энергии пробного импульса. Одними из центральных экспериментов станут исследования спектра возбуждения Бозе-конденсата поляритонов и взаимодействие направленных потоков стимулированных конденсатов. Мы ожидаем, что, начиная с некоторой величины волнового вектора мы сможем наблюдать баллистическое распространение стимулированного конденсата, а в последствии и взаимодействие с другим, аналогичным, но встречно-направленным конденсатом поляритонов. Кроме того, с использованием время-разрешающих методов типа памп-проб (pump-probe) будут установлены важные динамические параметры процесса стимулированной конденсации, анализ которых позволит определить предельные случаи режимов стимуляции. Новые знания, полученные в Проекте, будут иметь важное значение в понимании сверхтекучести френкелевских экситон-поляритонов и динамики Бозе-конденсатов в целом. Будут определены параметры, при которых возможно взаимодействие между конденсатами френкелевских экситон-поляритонов. Одним из ключевых экспериментов демонстрирующих явления распространения и взаимодействия между конденсатами является нелокальная конденсация поляритонов. С помощью пространственного модулятора мы сформируем оптические голлограмы создающие потенциальный ландшафт заданной пространственной конфигурации для системы поляритонных конденсатов, обладающий общим минимумом в области между ними, т.н. конфигурация оптической ловушки. Мы полагаем, что при определенных условиях оптической накачки (размер пучков и расстояние между ними, длительность импульсов, плотность энергии накачки) и параметрах экситон-поляритонной системы (плотность экситонного резервуара необходимая для конденсации поляритонов, время жизни поляритонов, экситонная фракция волновой функции) нам удастся наблюдать нелокальную конденсацию в минимуме потенциальной энергии поляритонов. Мы ожидаем, что с помощью полученных фундаментальных знаний будут реализованы полностью оптические логические схемы, обладающие рекордным быстродействием и минимальной энергией управляющих сигналов. Кроме того, мы надеемся реализовать протяженную систему взаимодействующих конденсатов в нормальных условиях. В настоящий момент подобные двумерные массивы конденсатов активно исследуются в задачах моделирования поведения сложных систем, распознавания образов на основе фотонных нейронных сетей и построение вычислительных машин отличных от ЭВМ архитектуры фон Неймана. Ожидаемые результаты будут формировать фундаментальные знания о механизмах возникновения и взаимодействия конденсатов френкелевских экситон-поляритонов, а также иметь большое прикладное значение для современной оптоэлектроники. В случае успешной реализации проекта возможно создание эффективных устройств оптической обработки информации, обладающих рекордным быстродействием и энергоэффективностью, что впоследствии приведет к положительному экономическому эффекту. Результаты исследований будут опубликованы в ведущих научных журналах группы Nature, Science, APS, Advanced Materials и ACS, а также будут представлены на международных конференциях. По наиболее значимым и интересным результатам будут подготовлены пресс-релизы и научно-популярные статьи для публикации в отечественных и зарубежных СМИ. Отдельно следует отметить инфраструктурный эффект, связанный с созданием научной группы преимущественно молодых ученых до 30 лет. В случае поддержки Проекта в нем примут участие молодые исследователи: магистры и аспирант Сколтеха. В ходе работы над Проектом они приобретут уникальные экспериментальные навыки, фундаментальные знания о взаимодействия света с веществом, будут активно участвовать в решение актуальных научных проблем, что положит начало их научной карьеры и будет способствовать созданию новых квалифицированных научных кадров. Результаты работы лягут в основу их диссертаций.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Мы исследовали природу заполнения поляритонных состояний с определенной энергией и импульсом в широком диапазоне плотности нерезонансного оптического возбужения, включая случаи до, вблизи и выше порога поляритонной конденсации. Был экспериментально обнаружен эффект стимулированного охлаждения поляритонов выше порога Бозе-Эйнштейновской конденсации (БЭК) с комнатной температуры 300К до 40К, природа эффекта по-видимому связана с энтропией подсистемы поляритонного газа в неравновесной системе с накачкой и потерями. Эффект охлажения поляритонного газа наблюдается как при большой (25%), так при и малой (7%) экситонной фракциях поляритонов. Было установлено, что скорость падения эффективной температуры с накачкой тем выше, чем меньше экситонная фракция поляритонов. При этом мы не обнаружили изменения минимальнаой температуры газа с изменением последней. Для интерпретации эффекта стимулированного охлаждения поляритонного газа мы предложили микроскопическую модель и развили теорию для неравновесного БЭК, которая позволяет определить аналитическое решение для полной матрицы плотности конденсата и надконденсатных состояний [1]. Были обнаружены нетривальные кросс-корреляции между основным и возбужденными состояниями системы, которые устанавливаются по мере формирования БЭК и пропадают после того, как основное состояние становится макроскопически заселеным. Теория предсказывает эффект охлаждения поляритонного газа до некоторого значения ниже температуры резервуара. Причем температура, до которой происходит охлаждение, определяется параметрами системы, такими как плотность состоний, время жизни поляритонов и пр. Вместе с падением температуры выше порога хим потенциал системы стремится к нулю. Мы показали, что неравноесная природа конденсата в таких открытых квантовых системах приводит к качественным отличиям по сравнению со случаем БЭК в термодинамическом равновесии. Для количественного описания эксперимента нами разработана более сложная численная модель [2]. Впервые была экспериментально обнаружена фрагментация (динамический беспорядок) в заполнениях поляритонов по состояниям с разными E и k. Мы проанализировали корреляции между состояниями с различными k-векторами и обнаружили установление таких корреляций по мере формирования БЭК, из чего можно сделать вывод о термализационной природе заполнения состояний. Исследования колебательных переходов в полимере MELPPP указывают на наличие т.н. chain-breathing мод в низкоэнергичной части спектра. Эти моды имеют энергию порядка 15-20 мэВ и соответствуют характерному масштабу энергий в эксериментально наблюдаемом эффекте ограничения релаксации поляритонов (relaxation bottleneck effect) при температуре <150К. Мы полагаем, что именно эти моды физически обеспечивают быструю термализацию поляритонов в нашей системе при комнатной температуре. Была исследована зависимость эффективности конденсации, спектральных характреристик, распределений в действитнльном и импульсном пространствах БЭК от его латерального размера. Мы исследовали 5 различных размеров БЭК в диапазоне пучков накачки от 9 до 45 мкм. Обнаружено нелинейное увеличение пороговой плотности энергии необходимой для БЭК с уменьшением размера пучка накачки. Для пучка с диаметром 9 мкм порог конденсации составляет 20мДж/см2, тогда как для диаметров больше 30 мкм порог более чем в 10 раз меньше (1-2 мДж/см2). Вместе с увеличением порога происходит падение бетта-фактора поляритонного лазера. Установлено, что причина увеличения порога связана с нелинейностью поляритонов. Насыщение оптических переходов органического материала приводит к нелинйному увеличению энергии поляритонов, формированию т.н. нелинейного потенциального ландшафта, который близок по форме к профилю накачки. Амплитуда нелинейного потенциального ландшафта растет с плотностью экситонного и поляритоного резервуаров. Экспериментально показано, что у порога БЭК проиисходит скачкообразное увеличение амплитуды нелинйного потенциала, тогда как выше порога амплитуда растет линейно, выходя на насыщения при больших плотностях накачки (при значениях накачки выше двух порогов конденсации). Максимальная амлитуда, выраженная в энергии, равна 5 мэВ и соответствует минимальному размеру в 9 мкм при накачке 3.5 порога. При большей экситонной фракции 25% амплитуда нелинейного потениального ландшафта достигает 10 мэВ при накачке выше 3х порогов конденсации. Было установлено, что амплитуда нелинейного потениального ландшафта сильно зависит от размера системы: чем меньше конденсат, тем больше потенциальная энергия (нелинейная зависимость). Показано, что вместе с увеличением амплитуды нелинейного потениального ландшафта происходит уширение спектральной линии конденсата. Установлено, что при уменьшении размера конденсата происходит уширение распределения в импульсном пространстве. Учитывая нерезонансную природу оптической накачки, мы находим эффект уширения нетривиальным экспериментальным фактом, который является прямым следствием формирования нелинейного потенциального ландшафта в системе. При минимальном размере БЭК (9 мкм) мы наблюдаем макроскопическое заполнение состояний с выраженным волновым вектором (около 1 мкм-1). Был впервые экспериментально резализован квази-стационарный режим конденсации поляритонов в органической системе на основе полуволнового микрорезонатора за счет наносекундной нерезонансной накачки [3]. Было показано, что в нашем случае амплитуда нелинейного потенциала не зависит от длительности накачки, а определяется лишь плотностью экситонного и поляритонного резервуаров. Мы предложили оригинальный способ полностью оптического переключения в однофотонном режиме, который основан на стимулированной конденсации поляритонов в резонансе с колебательными степенями свободы молекул [2]. Нам удалось впервые реализовать однофотонное переключение при комнатной температуре, прежде доступное только для ультрахолодных квантовых эмиттеров и их ансамблей. Экспериментальный контраст переключения состояния БЭК составил 20% в интегральных измерениях для оптимальной полосы пропускания импульсного фильтра и 11% в режиме одиночных реализаций. Мы экспериментально показали, что при контрасте переключения 3 дБ энергия управляющего сигнала соствляет 2 аттоДж, таким образом произведение энергии переключения на скорость (интегральный параметр, используемый для сравнения эффективности оптического переключения среди разных платформ) оказывается на 3 порядка ниже, чем у существующих на сегодняшний день полностью оптических переключателей. Была разработана микроскопическая теория стимулированной и спонтанной поляритонной конденсации в органических системах с выраженными коллебательными степенями свободы. Экспериментально исследованы фундаментальные ограничения в переключении состояния БЭК, связанные с флуктуацией числа поляритонов в конденсате, динамическим беспорядком в действительном и импульсном пространствах, а также конечным контрастом состояний. Был построен 4x канальный интерферометр типа Хэнбури-Брауна Твисса на основе которого развит экспериментальный метод томографии фотонных корреляций второго порядка всех компонент вектора Стокса на сфере Пуанкаре [4]. Были проведены фундаментальные исследования экситонов в новых одномерных органических материалах, перспективных для поляритоники при комнатной температуре. Экспериментально исследована тонкая структура экситонных переходов моноатомных углеродных цепочек при комнатной и гелиевой температурах [5], природа экситонных и трионных состояний в таких системах [6], определены времена жизни возбужденных состояний [7]. Было исследовано взаимодействие света с веществом в двумерных органических системах (монослоях) с переносом заряда, где роль моды резонатора выполняют коллективные осциляции свободных электронов (локализованый плазмонный резонанс). Было экспериментально обнаружено усиление эффективности внутреннего оптического перехода молекул (с низколежащих молекулярных обриталей на наполовину заполненную верхнюю орбиталь HOMO-n - SOMO) за счет ближнего поля плазмонного резонанса [8]. [1] Shishkov et al., Exact analytical solution for density matrix of a non-equilibrium polariton Bose-Einstein condensate, arXiv:2105.02940 (2021) [2] Zasedatelev et al., Organic single-photon switch, arXiv:2005.05811 (2021) [3] Putintsev et al., Nano-second exciton-polariton lasing in organic microcavities, Applied Physics Letters 117, 123302 (2020) [4] Baryshev et al, Engineering photon statistics in a spinor polariton condensate, arXiv:2012.02774 (2020) [5] Kutrovskaya et al, Excitonic fine structure in emission of linear carbon chains, Nano Lett. 20, 9, 6502 (2020) [6] Kutrovskaya et al Exciton energy spectra in polyyne chains, Phys. Rev. Research 3, 013071 (2021) [7] Kutrovskaya et al Exciton radiative lifetime in a monoatomic carbon chain, New Journal of Physics 23 033007 (2021) [8] Krichevskii et al., Resonant plasmon-enhanced absorption of charge transfer complexes in a metal-organic monolayer, Advanced Optical Materials 2100065 (2021)

 

Публикации

1. Антон Заседателев, Денис Санников, Тимур Ягафаров, Антон Путинцев, Кириякос Георгио, Дэвид Лидзи, Павлос Лагудакис Nonlinear dynamics of the energy landscape in Frenkel exciton-polariton condensates SPIE Proceedings Volume 11770, Nonlinear Optics and Applications XII, Proceedings Volume 11770, Nonlinear Optics and Applications XII; 117700H (2021) (год публикации - 2021).

2. Антон Путинцев, Антон Заседателев, Кирсти МакГи, Тамсин Куксон, Кириякос Георгио, Денис Санников, Дэвид Лидзи, Павлос Лагудакис Quasi-steady state exciton-polariton condensation in organic microcavities SPIE Proceedings Volume 11770, Nonlinear Optics and Applications XII, Proceedings Volume 11770, Nonlinear Optics and Applications XII; 1177011 (2021) (год публикации - 2021).

3. Антон Путинцев, Антон Заседателев, Кирсти МакГи, Тамсин Куксон, Кириякос Георгио, Денис Санников, Дэвид Лидзи, Павлос Лагудакис Nano-second exciton-polariton lasing in organic microcavities Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 117, 123302 (2020) (год публикации - 2020).

4. Владислав Шишков, Евгений Андрианов, Антон Заседателев, Павлос Лагудакис, Юрий Лозовик Exact analytical solution for density matrix of a non-equilibrium polariton Bose-Einstein condensate arXiv, arXiv:2105.02940 (год публикации - 2021).

5. Денис Кричевский, Александр Толбин, Татьяна Дубинина, Сергей Косолобов, Виталий Красовский, Лариса Томилова, Виктор Пушкарев, Антон Заседателев Resonant Plasmon-Enhanced Absorption of Charge Transfer Complexes in a Metal–Organic Monolayer Advanced Optical Materials, Adv. Optical Mater. 2021, 2100065 (год публикации - 2021).

6. Заседателев А.В., Бараников А.В., Санников Д., Урбонас Д.,Скафиримуто Ф., Шишков В., Андрианов Е., Лозовик Ю., Шерф У., Штоферле Т., Март Р.Ф., Лагудакис П.Г. Organic single-photon switch Arxiv, arXiv:2005.05811 (год публикации - 2021).

7. Стелла Кутровская, Антон Осипов, Степан Барышев, Антон Заседателев, Владислав Самушкин, Севак Демирчан, Оливия Пулчи, Давид Грассано, Лоренцо Гонтани, Ричард Хартман, Михаил Портной, Алексей Кучерик, Павлос Лагудакис, Алексей Кавокин Excitonic Fine Structure in Emission of Linear Carbon Chains Nano Letters, Nano Lett. 20, 6502−6509, (2020) (год публикации - 2020).

8. Стелла Кутровская, Севак Демирчан, Антон Осипов, Степан Барышев, Антон Заседателев, Павлос Лагудакис, Алексей Кавокин Exciton energy spectra in polyyne chains PHYSICAL REVIEW RESEARCH, 3, 013071 (2021) (год публикации - 2021).

9. Стелла Кутровская, Севак Демирчан, Антон Осипов, Степан Барышев, Антон Заседателев, Павлос Лагудакис, Алексей Кавокин Exciton radiative lifetime in a monoatomic carbon chain New Journal of Physics, 23 (2021) 033007 (год публикации - 2021).

10. Степан Барышев, Антон Заседателев, Хельги Сигурдсон, Иван Гнусов, Джулиан Топфер, Алексис Аскитополус, Павлос Лагудакис Engineering photon statistics in a spinor polariton condensate arXiv, arXiv:2012.02774 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе проекта значительные усилия были сосредоточены на реализации идеи об управляемой нелинейности БЭК в двухкомпонентных поляритонных системах. Совместно с коллегами из Университета Шеффилда (группа Проф. Дэвида Лидзи) мы разработали дизайн новых структур, на основе диспергированных в полимере «активных» молекул BODIPY-Br (сильно-связанных с модой резонатора) и «пассивных» молекул фталоцианина, нафталоцианина цинка (ZnPc, ZnNaph) и молекул BN-PFO, формирующих слабосвязанный резервуар состояний для управления нелинейностью БЭК. Численный расчет показал, что теоретическое смещение энергии конденсата в структурах на основе ZnPc составляет -3.2 мэВ, -3.7 мэВ для ZnNaph, и +12 мэВ для BN-PFO, что в разы превышает собственную нелинейность (блюшифт) БЭК. Построен оригинальный оптический эксперимент типа "pump-probe", сочетающий в себе несколько оптических линий для создания БЭК (накачка) и контроля состояний «пассивных» молекул (управляющий пучок). Экспериментально обнаружено «отрицательное» смещение энергии поляритонных состояний на - 1.5 мэВ в образцах на основе ZnPc и ZnNaph (до порога конденсации). Впервые в поляритонных системах удалось реализовать нелинейность такого типа. Кроме того, это является независимым экспериментальным подтверждением механизмов нелинейности в органических поляритонных конденсатах, предложенных нами ранее в работе [1]. Аналогичный эффект с обратным знаком наблюдается при насыщении «пассивных» молекул BN-PFO в структурах, разработанных специально для усиления нелинейности БЭК. В образцах на основе BN-PFO был получен БЭК в присутствии управляющего импульса, при этом наблюдается усиление нелинейного спектрального смещения БЭК с 3 мэВ до 10мэВ. Насыщение молекул BN-PFO управляющим импульсом приводит к возникновению сильного локального потенциала в результате чего конденсат приобретает кинетическую энергию. Наблюдается скопление населенности в состояниях с конечным волновым вектором. Развиты экспериментальные подходы формирования БЭК в оптической ловушке и методы контроля фотонной статистики конденсатов [2]. Данный режим успешно реализован при низкой температуре (4К), ведутся работы по конденсации в ловушке при комнатной температуре. Был исследован динамический беспорядок и когерентность БЭК. Экспериментально подтверждена стохастическая природа образующихся фрагментов БЭК и впервые количественно определена степень статического (структурного) и динамического беспорядка от реализации к реализации. Наши исследования показывают, что интегральное отклонение одиночных распределений БЭК от усредненных по ансамблю реализаций соответствует 30% вне зависимости от размера конденсата. С ростом плотности экситонов и поляритонов степень динамического беспорядка также стабилизируется на уровне 30% по интегральному значению. Разработан подход для определения когерентности второго порядка через прецизионное измерение фотонной статистики БЭК поляритонов при комнатной температуре. Мы показали, что кинетические потери, возникающие из-за оттока поляритонов из области конденсации малого размера, дают лидирующим вклад в усиление шумов БЭК, а также приводят к деградации фазы конденсата более чем в два раза (снижение когерентности первого порядка). Таким образом, размер конденсата является одним из ключевых факторов, ограничивающих когерентность БЭК. Вместе с тем, нелинейный рост шумов полного числа поляритонов в конденсате не сопровождается изменением в динамическом беспорядке. При оптимальных условиях, БЭК обладает высокой степень когерентности g2(0) = 1.00034, с фотонной статистикой близкой к Пуассоновскому распределению. Разработаны численные подходы к описанию пространственных степеней свободы БЭК, которые позволили установить причину увеличения шумов в БЭК и деградацию когерентности первого порядка с уменьшением размера конденсата. Было развито аналитическое квантовое описание неравновесного БЭК поляритонов, основанное на решении управляющего уравнения для полной матрицы плотности в пределе быстрой термализации [3]. Разработана схема аналитического описания неравновесного фазового перехода БЭК, которая, в отличие от разработанных ранее подходов, учитывает бесконечное число состояний [4]. Рассмотрен предел быстрой термализации и получено аналитическое выражение для полной матрицы плотности неравновесного БЭК, включающее и равновесный случай. Для частных случаев 2D и 3D мы исследуем неравновесное формирование БЭК путем нахождения температурной зависимости заполнения основного состояния и функций когерентности первого и второго порядка. Показано, что при заданной скорости накачки макроскопическое заполнение основного состояния и нарастание когерентности происходят при различных температурах. Кроме того, формирование когерентности сильно зависит от схемы накачки. Мы предложили оригинальную схему построения полностью оптической логики на основе стимулированных процессов конденсации в основное и возбужденное состояние. Получен патент РФ на изобретение универсального полностью оптического логического элемента [5]. Исследована пропускную способности предложенной архитектуры в двух режимах: в квазинепрерывном режиме и с использованием специальных задающих импульсов (clock). Показана рекордная нелинейность устройств на основе поляритонных конденсатов при комнатной температуре - даже наличие одного поляритона в основном состоянии может вызвать более чем 10% изменению плотности БЭК [6]. На основе развитой теории и экспериментальных знаний мы полагаем, что тактовая частота поляритонной логики для предложенной архитектуры может достигать 1ТГц и ограничена лишь временем жизни поляритонов в резонаторе. [1] T. Yagafarov, D. Sannikov, A. Zasedatelev, K. Georgiou, A. Baranikov, O. Kyriienko, I. Shelykh, L. Gai, Z. Shen, D. G. Lidzey, P. Lagoudakis, Mechanisms of blueshifts in organic polariton condensates, Communications Physics 3, 18 (2020) [2] S. Baryshev, A. Zasedatelev, H. Sigurdsson, I. Gnusov, J. Töpfer, A. Askitopoulos, P. G. Lagoudakis, Engineering photon statistics of spinor polariton condensate, Physical Review Letters 128, 087402 (2022) [3] V. Yu. Shishkov, E. S. Andrianov, A. V. Zasedatelev, P. G. Lagoudakis, Yu. E. Lozovik, Exact analytical solution for density matrix of a non-equilibrium polariton Bose-Einstein condensate, Physical Review Letters 128, 065301 (2022) [4] V. Yu. Shishkov, E. S. Andrianov, Yu. E. Lozovik, Fully analytical framework for non-equilibrium phase transition to Bose--Einstein condensate, arXiv:2111.09132v1, 2021 [5] П. Лагудакис, А.В. Бараников, А.В. Заседателев, Патент РФ №2756257 на изобретение: Универсальный полностью оптический логического элемент, 2021 [6] A. Zasedatelev, A. Baranikov, D. Sannikov, D. Urbonas, F. Scarimuto, V. Yu. Shishkov, E. S. Andrianov, Yu. E. Lozovik, U. Scherf, T. Stoferle, R. F. Mahrt, P. G. Lagoudakis, Single-photon nonlinearity at room temperature. Nature 597, 493–497 (2021)

 

Публикации

1. - New Extremely Energy-Efficient Optical “Transistor” Speeds Up Computation Up to 1,000 Times SciTech daily, - (год публикации - ).

2. - Новый оптический «транзистор» ускорит вычисления в тысячу раз при минимальных энергозатратах Naked Science, - (год публикации - ).

3. - Nouveau « transistor » optique pour accélérer le calcul jusqu’à 1 000 fois, avec l’énergie Enerzine, - (год публикации - ).

4. - New optical transistor uses quasiparticle condensate to switch rapidly Physics World, - (год публикации - ).

5. Заседателев А.В., Бараников А.В., Санников Д., Урбонас Д.,Скафиримуто Ф., Шишков В., Андрианов Е., Лозовик Ю., Шерф У., Штоферле Т., Март Р.Ф., Лагудакис П.Г. Single-photon nonlinearity at room temperature Nature, 597, pages 493–497 (2021) (год публикации - 2021).

6. Павлос Лагудакис, Антон В. Баранников, Антон В. Заседателев Универсальный полностью оптический логический элемент Патент РФ, Патент на изобретение №2756257 (год публикации - 2021).

7. С. Барышев, A. Заседателев, Х. Сигурдсон, И. Гнусов, Дж.Д. Топфер, А. Аскитополос, П.Г. Лагудакис Engineering Photon Statistics in a Spinor Polariton Condensate Physical Review Letters, 128, 087402 (год публикации - 2022).

8. Шишков В.Ю., Андрианов Е.С., Заседателев А.В., Лагудакис П.Г., Лозовик Ю.Е. Exact Analytical Solution for the Density Matrix of a Nonequilibrium Polariton Bose-Einstein Condensate Physical Review Letters, 128, 065301 (год публикации - 2022).