Физики впервые сфотографировали квазичастицу света и материи

Ученые впервые увидели то, как возникает и распадается поляритон - квазичастица, способная одновременно вести себя и как частица, и как волна, компьютеры на базе которых будут в миллионы раз быстрее их современных аналогов, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

"Мы первые, кому удалось увидеть эти квазичастицы, получить их фотографии и понять, как они распространяются, накладываются друг на друга и излучают свет. Создание пар экситонов-поляритонов при комнатной температуре открывает дорогу для создания нанофотонных микросхем, способных заменить кремниевую микроэлектронику", - заявил Чже Фэй (Zhe Fei) из университета Айовы в Эймсе (США).

Сегодня практически все физики, за исключением небольшой группы маргиналов, полагают, что свет одновременно ведет себя и как частицы, и как электромагнитные волны. На базе этого феномена, который в прошлом не совсем корректно называли "корпускулярно-волновым дуализмом", построены многие современные технологии, такие как матрицы фотокамер и различные светодатчики.

Ученые достаточно давно пытались подтвердить двойную природу фотонов, частиц света, однако все такие эксперименты заканчивались безрезультатно - свет позволял нам смотреть на себя только с одной стороны, проявляя себя только в качестве частицы или волны.

Поляритоны представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица. Он состоит из трех компонентов - оптического резонатора, набора из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца - атома и вращающегося вокруг него электрона, который периодически поглощает и испускает квант света.

Фэй и его коллеги впервые смогли увидеть эти квазичастицы и сфотографировать то, как они возникают и движутся внутри сверхтонкой пластинки из диселенида молибдена - полупроводникового материала с несколькими необычными свойствами.

Главным необычным свойством этого вещества, как рассказывает Фэй, является то, что внутри него могут возникать поляритоны уже при комнатной температуре, а не только при охлаждении пластины почти до абсолютного нуля. Это позволило ученым использовать "обычный" сканирующий оптический микроскоп для наблюдений за ними, а не дорогостоящие спектроскопы, способные отслеживать сигналы, порождаемые поляритонами при сверхнизких температурах.

Воспользовавшись этой чертой диселенида молибдена, Фэй и его коллеги смогли не только увидеть поляритоны при помощи своих собственных глаз, но и измерить их некоторые физические характеристики. К примеру, ученые обнаружили, что подобные квазичастицы могут проходить необычно большое расстояние - около 12 микрометров - даже при комнатной температуре.

Это открытие, в частности, говорит о том, что подобные квазичастицы можно использовать в качестве переносчиков информации в будущих световых компьютерах. По оценкам Фэя, подобные вычислительные системы смогут работать в миллионы раз быстрее, чем современная кремниевая микроэлектроника, и при этом потреблять аналогичное или даже меньшее количество энергии.