Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0020

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0020
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Резонаторные полупроводниковые микро- и наноструктуры с экситонными поляритонами для квантовой информации
Докладчик
Алоджанц Александр Павлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования - проведение совместных теоретических и экспериментальных исследований ведущими научными коллективами из России (Университет ИТМО) и Великобритании (The University of Sheffield) в новой области нанонаук – спиноптотроники, посвященных изучению когерентных коллективных эффектов, возникающих в системе экситонных поляритонов в полупроводниковых микро- и нано- гетероструктурах. Задачей являлось изучение процессов переноса в экситон-фотонных системах, находящихся в режиме сильной связи (поляритонах). А именно, целью было исследование влияния спиновой структуры экситон-поляритонной системы на формирование поляризованного излучения, а также Раби осцилляций в микрорезонаторах Фабри-Перо. Кроме того, необходимо было разработать модель и выяснить физику коллективной динамики экситонных поляритонов в поляритонном лазере с однородной оптической и/или электрической накачкой в условиях внешнего периодического потенциала. Еще одной задачей являлась разработка новых устройств квантовой обработки информации на основе поляритонных решеток и полупроводниковых микрорезонаторов с заданной (кольцеобразной, графноподобной) топологией. В эксперименте основной акцент ставился на измерениях спектра отражения, поглощения и фотолюминесценции микрокристаллов металлорганических координационных полимеров ((metal-organic frameworks, MOF) с использованием уникальной установки на базе университета ИТМО.
Актуальность и новизна исследования
В проекте решается новая и актуальная задача по разработке и совершенствованию поляритонного лазера, оптоэлектронного устройства нового поколения, на основе редуцирования (уменьшения) порога его функционирования, т.е. минимальной мощности внешнего излучения, необходимой для его работы. Недавно зародившееся новое направление квантовой нанофизики в сфере полупроводниковых технологий - спиноптотроника, предоставляет ряд уникальных возможностей для многочисленных приложений в фотонике, оптоэлектронике, науке о материалах и информационных технологий. В перспективе ближайших 5-10 лет это направление способно существенно изменить рынок используемых сейчас оптоэлектронных систем и микросхем. А именно, результаты проекта могут быть использованы в высокотехнологичных отраслях экономики для разработки и изготовления сверхбольших и сверхбыстродействующих фотонных, поляритонных / плазмонных интегральных схем нового поколения, а также для развития существующих технологий приборов квантовой оптоэлектроники. Результаты исследования также могут быть востребованы для создания полностью оптических модулей управления однофотонными импульсами света (оптических ЭВМ) и реализации алгоритмов квантовой информатики на их основе. Использование микрорезонаторов и полупроводниковых микроволноводов в качестве базового элемента оптоэлектронных устройств для обработки информации позволит существенно повысить экологичность и энергоэффективность логических цепей как по сравнению с электронными схемами, так и относительно современных оптоэлектронных устройств, что обусловлено как низким порогом генерации поляритонного лазера, так и крайне высоким уровнем нелинейного оптического отклика.
Описание исследования

Теоретический анализ экситонных поляритонов в полупроводниковых наноструктурах выполнялся путем сочетания современных аналитических и численных методов расчета. В частности, в теории применялись методы статистической физики, физики конденсированного состояния, а также квантовой оптики и физики твердого тела. Для теоретического описания поляритонного лазера, а также изучения транспорта экситонных поляритонов в микро- и наноструктурах в приближении среднего поля использовалось комплексное уравнение Гросса-Питаевского, дополненное уравнением на населенность экситонного резервуара с нерезонансной накачкой, а также стохастическими членами для исследования процессов формирования поляритонного конденсата. Полученное уравнение решалось численно с помощью программного пакета Matlab, а также более сложных программных пакетов CST и Comsol Multiphysics. Были также получены аналитические аппроксимации. В экспериментальной части проекта по спектроскопии образцов выполнено последовательное проведение двух экспериментальных циклов. Сперва проводилась характеризация структуры поверхности, выполняющаяся методами атомно-силовой микроскопии (АСМ), что обусловлено необходимостью характеризации поверхности, определения чистоты поверхности образца и определения участка пригодного для дальнейшего исследования методами ближнепольной микроскопии. Сканирование осуществляется в режиме поддержания постоянной амплитуды колебаний  зонда, при этом регистрируется изменение частоты и фазы колебаний. Данная методика позволяет максимально быстро производить характеризацию поверхности, с разрешающей способностью до 10 нм, не приводя к деформации структуры. Затем, на втором этапе производились измерения спектров отражения, поглощения и фотолюминесценции методами спектроскопии. Сканирование позволило получить обзорную картину топографии области образца размером 22x22 мкм2, расположенную в правом нижнем краю квадрата с определенной дозой облучения, второе сканирование 3.3.2 было выполнено для получения картины с большим разрешением для области 5x5 мкм2. Аналогичные действия были выполнены для левого верхнего участка образца с целью подтверждения его однородности. Привязка к углам образца позволила в ходе дальнейших СБОМ-измерений исследовать те же участки образца. Для обработки каждого изображения были использованы алгоритмы фильтрации массивов данных:

1. Медианная фильтрация линий сканирования применялась для того, чтобы избавиться от артефактов измерений, связанных с колебаниями температуры в помещении, вызывающих смещение малое резонанса кантилевера и приводящее к искажению топографии. Период таких искажений много больше временного интервала сканирования одной линии, поэтому в пределах одной линии можно считать, что это искажение несущественно. В силу периодичности образца медианная фильтрация приводила исчезновению искажений и не привносила новых.

2. «Вычитание плоскости» применялось для компенсации наклона образца, который неизбежно присутствует в любых экспериментах по АСМ. Для корректной работы алгоритма плоскость образца вычислялась по маске, объединяющей большой набор областей между антеннами (тут точно должны быть антенны) (плоской подложки).

3. Проводился статистический анализ топографии – строилась гистограмма распределения высот позволившая сделать в конечно итоге вывод о высоком качестве анализируемого образца.

4. Кроме того, были построены сечения топографии поверхности образца, из анализа которого были сделаны выводы о соответствии геометрических параметров исследуемого образца.

Результаты исследования

1. Проведен обзор современной научной литературы по экситонным поляритонам в полупроводниковых микроструктурах и по разработке устройств обработки информации на их основе. Обзор содержит научные информационные источники: статьи в ведущих зарубежных, а также российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2010 – 2015 гг.

2. Проведен расчет квантовых корреляций между фотонной и экситонной компонентами бозе-эйнштейновского конденсата экситонных поляритонов в полупроводниковых микроструктурах и микрорезонаторах, и впервые выявлен неклассический характер их поведения при учете различных механизмов релаксации поляритонов. Расчет проведен численно для корреляционной функции второго порядка, а также проверен аналитическими методами операторной алгебры и статистической физики.

3. Разработана модель нового источника низкопорогового когерентного излучения - поляритонного лазера с однородной оптической и/или электрической накачкой, которая объясняет высокую степень когерентности экситонных поляритонов. Выявлены различные динамические нелинейные режимы переключения поляритонных волн как функции от накачки с учетом внешнего периодического одномерного потенциала, определяющие области бистабильности, для целей обработки оптической информации. Расчеты проведены при условии, что время жизни поляритона в основном состоянии в микрорезонаторе должно быть не менее 0.3+- 0.05 пс.

4. Разработана программа экспериментальных измерений спектра отражения, поглощения и фотолюминесценции микрокристаллов металлорганических координационных полимеров (далее обозначаются как MOF). Выявлены основные характеристики экспериментальных спектров отражения, пропускания и фотолюминесценции микрокристаллов MOF в частотном диапазоне 2-4 электронвольта с разрешением 10 мэВ. При этом микрокристалл металлоорганического координационного полимера имеет латеральный размер не менее 10 мкм, и высоту над подложкой не менее 5 мкм. Шероховатость поверхности не превышает 10 нм. Выявлены основные характеристики экспериментальных спектров фотолюминесценции системы, представляющей собой микрокристалл MOF, расположенный на брэгговском зеркале или металлической подложке.

5. Впервые разработана теоретическая модель квантовых спин зависящих когерентных эффектов для экситонных поляритонов в микрорезонаторах с целью выявления долгоживущих (десятки пикосекунд) состояний поляритонов. Данная модель описывает генерацию спиновых токов в микрорезонаторе, а также объясняет поведение поляризации света на выходе из полупроводниковой микроструктуры. Она также обосновывает повышение эффективности существующих оптических систем передачи информации без кардинальной перестройки их архитектуры. Рассмотрение спиновой динамики, в том числе и в комбинированной Бозе-Ферми системе, является основой для концепции гибридной спинтроники. Расчеты квантовых спин зависящих когерентных эффектов выполнены для матрицы плотности теоретически, а также с помощью программных пакетов CST и Comsol Multiphysics.

6. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, и посвященные изучению экситон-поляритонов в микрорезонаторах и волноводах для передачи и обработки оптической информации.

Практическая значимость исследования
Результаты проекта относятся к высокотехнологичным отраслям науки и техники. В списке «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» и перечне критических технологий Российской Федерации они относятся к современным технологиям обработки, хранения, передачи и защиты информации, а также к технологиям создания электронной компонентной базы нового поколения ЭВМ. Результаты этих исследований позволят создать новое поколение квантовых устройств и источников излучения в фотонике и оптоэлектронике с перестраиваемыми высоко-когерентными характеристиками поляритонных микросхем для перспективных информационных технологий. Фундаментальные научные результаты проекта могут быть непосредственно использованы в научных и образовательных организациях в России. Принципиально важным бенефициаром результатов
проекта, безусловно, являются университеты ИТМО и Шеффилда. При этом для университета ИТМО такой проект чрезвычайно актуален в плане интеграции в 100 ведущих вузов мира
Постер

Poster_Alodjants.ppt