Лазерный мир

Физик Алексей Кавокин стал первым российским лауреатом международной премии ISCS Awards, которая ежегодно присуждается за лучшие разработки в области квантовых технологий. Кавокин, профессор Саутгемптонского университета и руководитель научной группы «Квантовая поляритоника» Российского квантового центра, был награжден за теоретическое предсказание Бозе-Эйнштейновской конденсации при комнатной температуре — эффекта, который позволил создать поляритонный лазер. Ученый рассказал N + 1 о своей работе и проиллюстрировал этот рассказ котами.

Что такое Бозе-Эйнштейновский конденсат и как там все конденсируется?

Представьте себе поток машин на МКАДе. Кто-то разгоняется, кто-то перестраивается, кто-то тормозит. В результате вся масса движется медленно, возникают пробки. Теперь вообразим чудо-МКАД, на котором все автомобили движутся с одинаковой скоростью. Никто не догоняет, никто не отстает. Поток движется, как единое целое. Это и есть конденсат Бозе-Эйнштейна, только вместо автомобилей — квантовые частицы, бозоны. Все они находятся в одном квантовом состоянии — то есть движутся с одинаковой скоростью, ведут себя, как единая огромная частица.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — ярчайшее следствие из того факта, что все элементарные частицы в мире делятся на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы не уживаются в одном квантовом состоянии, они — «индивидуалисты». А вот бозоны — «коллективисты». При достаточно низких температурах они образуют Бозе-конденсат: оказываются в одном квантовом состоянии и ведут себя одинаково, как одна частица. Его существование предсказал в 1924 году Альберт Эйнштейн.

Коты–фермионы (в левой чаше весов) не любят друг друга и никак не могут ужиться в одной клетке. Коты–бозоны (в правой чаше), напротив, любят друг друга очень сильно. Чем легче по весу коты, тем проще сделать из них конденсат
Алексей Кавокин

А зачем он может быть нужен?

Например, для того, чтобы сделать квантовый компьютер. Квантовый компьютер использует квантовые биты информации — кубиты. В режиме Бозе-конденсации наш чудо-МКАД представляет собой суперпозицию двух потоков машин, движущихся по и против часовой стрелки. Это и есть кубит. Чтобы сделать квантовый компьютер, надо объединить несколько тысяч колец МКАДа — каждое размером в сотую долю миллиметра.

Поток машин — бозонов, движущихся с одинаковой скоростью, образует сверхтекучее состояние Бозе-конденсата. Сверхтекучий поток может течь вечно. Формирующим его автомобилям не нужен бензин. Алексей Кавокин

В чем суть предсказанного вами эффекта — Бозе-Эйнштейновской конденсации при комнатной температуре, какой за ним стоит механизм?

В конце XX века конденсацию удалось пронаблюдать в атомных газах лития и рубидия при температурах около одной стомиллионной доли кельвина. В тот самый год, когда за это открытие вручили Нобелевскую премию, я и мои коллеги пришли к выводу, что это явление можно было бы наблюдать и при комнатной температуре, но в другой системе — в газе свето-материальных квазичастиц, экситонных поляритонов. Наша догадка была основана на теории Бозе и Эйнштейна, предсказавшей, что критическая температура конденсации должна быть обратна пропорциональна массе бозона. Вот мы и предложили взять бозоны полегче (в миллиард раз) и получить критическую температуру повыше.

Экситон, как и атом водорода, состоит из положительно заряженной частицы, которая официально носит не совсем благозвучное имя: «дырка», и отрицательно заряженной частицы – электрона. Дырка может проглотить электрон – тогда экситон исчезнет, но выделится квант света – фотон. Алексей Кавокин

А что такое экситонный поляритон?

Это кентавр: тело лошади, торс человека. В качестве лошади выступает квант света — фотон. Он быстрый и легкий. Человеческая половина — это экситон, материальная квазичастица, похожая на атом водорода, только в 100 раз больше. За счет своей «человеческой», материальной компоненты, поляритоны взаимодействуют друг с другом: «разговаривают», толкают и тянут друг друга. Получается свето-жидкость: свето-материальные частицы образуют поток, похожий на поток воды. Им можно управлять, загонять его в каналы, воронки.

Экситонный поляритон – это наполовину экситон, наполовину фотон. Он умеет быстро и далеко летать, как фотон, но постоянно цепляется за атомы кристаллической решетки и другие квазичастицы благодаря своей экситонной половине. Алексей Кавокин

Как это проверить/проверили экспериментально?

Наша теоретическая работа (в ней моими соавторами были французские ученые Гийом Мальпеш и Бернар Жиль) увидела свет в 2003 году. Четыре года спустя, в соавторстве с английской группой Джереми Баумберга мы опубликовали результаты первого экспериментального исследования конденсата Бозе-Эйнштейна при комнатной температуре. Чтобы поставить этот эксперимент, нам пришлось вырастить многослойную кристаллическую структуру на основе полупроводниковых материалов: нитрида галлия и нитрида галлия с алюминием. Эксперимент был поставлен в лаборатории фотоники университета Саутгемптона. Освещая нашу структуру лазерным лучом, мы заметили, что она сама начала испускать лазерный свет, но на другой длине волны. Этот свет и оказался излучением нового макроскопического квантового объекта: Бозе-конденсата экситонных поляритонов.

Что такое поляритонный лазер?

Поляритонный лазер — это прибор, внутри которого находится Бозе-конденсат свето-жидкости (экситонных поляритонов), а наружу выходит когерентный свет определенной длины волны, то есть лазерный свет. Поляритонный лазер пока не покинул лабораторные стены. В Москве его можно увидеть в лаборатории Павлоса Лагудакиса в Сколтехе, в Петербурге — в моей лаборатории в СПбГУ. Еще в России — в Черноголовке и в ФТИ имени Иоффе.

Как будет выглядеть поляритонный лазер, когда он выйдет из стен лаборатории? Это пока сложно сказать. Ясно, что внутри этого прибора будет наш герой: Бозе-конденсат. За внешней облик новой квантовой машины отвечают индустриальные дизайнеры. Мы, физики, можем только фантазировать. Алексей Кавокин

Зачем этот лазер нужен?

Об одном из возможных применений поляритонного лазера я уже рассказал: на основе таких лазерных структур мы рассчитываем создать полупроводниковую платформу для квантовых вычислений, то есть квантовый компьютер. Другая важная область применения: свето-индуцированная сверхпроводимость. В 2010 году мы предсказали резкое повышение критической температуры сверхпроводящего перехода в присутствии свето-жидкостного Бозе-конденсата. Осталось подтвердить это предсказание экспериментально и создать сверхпроводник, не теряющий своих свойств при комнатной температуре. Если бы удалось это сделать, я считал бы свою научную карьеру полностью успешной.

Беседовал Андрей Коняев

Источник: https://nplus1.ru/material/2020/05/18/polaritons