Физики-теоретики из МФТИ, СПбГУ, Владимирского госуниверситета и Университета Вестлейк в Китае разработали новую платформу, способную формировать световые узоры по внешнему сигналу.
Ученые изучают поляритоны — гибридные квазичастицы, сочетающие свойства фотонов и экситонов. Поляритоны, заключенные в микрорезонаторы, могут образовывать когерентные состояния, подобные лазерному свету. Эти состояния, называемые поляритонными конденсатами, можно использовать для создания оптических переключателей, источников света и элементов квантовых вычислений.
Однако ранее созданные устройства имели неизменную структуру, что ограничивало их возможности. Российские и китайские специалисты предложили использовать жидкие кристаллы для динамического управления поляритонными конденсатами. Жидкие кристаллы состоят из молекул, способных менять свою ориентацию под воздействием электрического поля, что влияет на оптические свойства материала.
Исследователи заполнили полость микрорезонатора жидким кристаллом и разместили внутри несколько слоев полупроводника на основе перовскита. Это позволило создать единую структуру, способную генерировать различные световые узоры по команде.
Для достижения этой цели ученые использовали топологическую оптимизацию — метод, позволяющий рассчитать оптимальную геометрию системы для получения желаемого результата. Алгоритм топологической оптимизации рассчитал наноразмерную модуляцию толщины экситонных слоев, формируя стационарный потенциал, который «лепит» нужную форму света.
Евгений Седов из МФТИ отметил: «Мы сделали качественный скачок вперед, научившись управлять множеством мод с одинаковой поляризацией. Теперь мы можем динамически выбирать, какую из заранее заготовленных «программ» будет исполнять устройство, просто меняя напряжение».
Чтобы продемонстрировать возможности платформы, исследователи провели численное моделирование.
Они выбрали три сложных узора: раскрытую ладонь, сжатый кулак и знак победы. Алгоритм успешно рассчитал необходимую модуляцию толщины экситонных слоев, показав, что устройство может принимать форму каждого из этих узоров при изменении управляющего параметра.
Работа представляет собой концепцию динамически переключаемой платформы, объединяющей пассивную пространственную инженерию и активное управление. Это позволяет преодолеть статичность в поляритонике и создает основу для программируемых оптических элементов.
Практическая значимость исследования огромна. Оно открывает новые возможности для оптических вычислений, имитирующих работу человеческого мозга. Каждая из запрограммированных световых картин может представлять собой карту весов нейронной сети, решая конкретную задачу. Предложенное устройство позволяет мгновенно переключаться между несколькими картами, меняя напряжение.
Уже совсем скоро учёные планируют реализовать предложенные структуры и расширить количество программируемых состояний. Новая работа создает прочный фундамент для нового поколения реконфигурируемых свето-вещественных устройств, способных осмысленно излучать свет по команде.