Рис. 1. Новые квазичастичные мостики СВЧ и оптических доменов.
Фото: Институт Пола Друда.

Работа исследовательской группы черпает вдохновение из повседневного явления: передачи энергии между двумя связанными осцилляторами, такими как, например, два маятника, соединенные пружиной. В особых условиях связи, известных как режим сильной связи (SC), энергия постоянно колеблется между двумя маятниками, которые больше не являются независимыми, поскольку их частоты и скорости затухания не такие же, как у несвязанных маятников. Осцилляторами также могут быть фотонные или электронные квантовые состояния: режим SC в этом случае является фундаментальным для управления и обмена квантовыми состояниями.

В приведенном выше примере предполагается, что два маятника имеют одинаковую частоту, т. е. находятся в резонансе. Однако гибридные квантовые системы требуют когерентной передачи информации между генераторами с существенно разными частотами. Здесь одним из важных примеров являются сети квантовых компьютеров. Хотя наиболее многообещающие квантовые компьютеры работают с микроволновыми кубитами (т. е. на частоте в несколько ГГц), квантовая информация эффективно передается с использованием фотонов ближнего инфракрасного диапазона (100 дс ТГц).

Тогда необходима двунаправленная и когерентная передача квантовой информации между этими доменами. Прямое преобразование между микроволновыми кубитами и фотонами во многих случаях очень неэффективно. Здесь одной из альтернатив является опосредование преобразования третьей частицей, которая может эффективно связываться как с микроволновыми кубитами, так и с фотонами. Хорошим кандидатом являются гигагерцовые колебания решетки (фононы).

Рис. 2.
Фото: Институт Пола Друда.

Теоретическая основа СП между светом и фононами была заложена в 1982 году Келдышем и Ивановым, которые предсказали, что полупроводниковые кристаллы могут смешивать фотоны и фононы через другую квазичастицу: экситон-поляритон. Поляритоны возникают в результате сильной связи между фотонами и экситонами. Когда в игру вступает фонон, он может соединить два поляритонных осциллятора с частотами, отличающимися ровно на частоту фонона. Если связь достаточно велика, т. е. в режиме ПК, она приводит к образованию новой квазичастицы — фоноритона, представляющего собой смесь экситона, фотона и фонона.

Однако из-за строгих экспериментальных требований к возникновению фоноритона сообщений об образовании фоноритона было очень мало. Помимо научной важности открытия этого нового фундаментального полупроводникового возбуждения, фоноритон может стать новым многообещающим посредником для когерентного преобразования микроволновой частоты в оптическую.

В своей работе Александр Кузнецов и его коллеги создали поляритоны в узорчатом микрорезонаторе типа, показанного на рис. 2(а). Более толстые области микрометрового размера внутри микрорезонатора действуют как гибридные ловушки как для поляритонов с частотой 370 ТГц, так и для фононов с частотой от 5 до 20 ГГц. Захват многократно усилил взаимодействие между двумя частицами, что является важным требованием для образования фоноритона.

Путем оптического введения большего количества поляритонов в ловушку команда создала два конденсата поляритонов, которые характеризуются очень яркой и спектрально узкой (субГГц) линией излучения. В отличие от обычных лазеров, поляритоны обладают сильными межчастичными взаимодействиями, что дает основание называть их «квантовыми жидкостями» света. Благодаря этим взаимодействиям разделение энергии между двумя легкими жидкостями можно точно настроить, управляя их плотностью с помощью внешнего лазера.

Когда энергетическое расщепление совпадает с энергией фононов, две поляритонные жидкости синхронизируются, см. рис. 2 (б). Синхронизация происходит за счет сочетания нелинейных поляритон-поляритонных взаимодействий и эффективного переноса поляритонов между легкими жидкостями, опосредованного поглощением и испусканием фононов. Обнаружено, что фононно-индуцированная связь между состояниями поляритонов превышает скорость их распада, отмечая появление фоноритона.

Затем авторы использовали пьезоэлектрический преобразователь, изготовленный поверх микрорезонатора и вокруг ловушки, чтобы управлять устройством с помощью микроволн и инжектировать в ловушку фононы частотой 7 ГГц. В присутствии инжектированных фононов спектр фоноритона превращается в гребенку узких резонансов (или боковых фононных полос), как показано на рис. 2(в).

Боковые полосы слева (справа) от центрального пика соответствуют когерентному излучению (поглощению) фононов, демонстрируя тем самым двунаправленное микроволновое преобразование в оптическое. Интересно, что в отличие от обычных оптомеханических систем, где фононы напрямую взаимодействуют с фотонами и сила взаимодействия зависит только от числа фотонов, здесь взаимодействие масштабируется как с популяциями поляритонов, так и с фононами.

В заключение, работа Кузнецова и его коллег адаптировала фотонные, электронные и фононные резонансы структурированных полупроводниковых микрорезонаторов для демонстрации фоноритонов, а также когерентного двунаправленного микроволнового преобразования в оптическое в полупроводниковой системе.