Ученые из МИЭМ НИУ ВШЭ научились запускать сверхпроводящий ток с помощью «жидкого света». Так называют экситон-поляритоны — гибридные частицы, образующиеся в результате взаимодействия света и материи, обладающие одновременно свойствами как света, так и материальных частиц. Возможность управлять электрической системой с помощью оптической может пригодиться при создании технологий будущего, в том числе квантовых компьютеров.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. При конструировании квантового компьютера к его частям выдвигаются противоположные требования. Например, квантовый процессор должен работать быстро, а квантовая память должна медленно записывать и долго хранить информацию, причем тоже в квантовом формате, чтобы она не разрушалась под влиянием окружающей среды. Научиться управлять взаимодействием этих двух систем — задача, которую решают сегодня многие физики, занимающиеся квантовыми технологиями.
Исследователи из НИУ ВШЭ изучили взаимное увлечение между сверхпроводящей и/или сверхтекучей системами (эффект Андреева — Башкина) в необычной гибридной системе, состоящей из двух подсистем: тонкой пленки сверхпроводника и системы экситон-поляритонов.
Экситон-поляритоны («жидкий свет») — это экзотическое состояние света и вещества (тонкого полупроводника), запертых между двух зеркал. Свет в такой системе часть времени живет в виде экситона (пары связанных кулоновским притяжением электронов и дырки внутри полупроводника), а другую часть времени пробегает между зеркалами (так устроен поляритон). Экситон-поляритонная жидкость проявляет сверхтекучесть: может «течь» без потерь энергии на трение.
Не так давно российские исследователи изучили, как сверхпроводник, помещенный в «сэндвич» с зеркалами и полупроводником, может взаимодействовать с экситон-поляритонами. Исследовательская группа Юрия Лозовика, профессора МИЭМ ВШЭ, предположила, что, помимо обычного взаимодействия, возможен и эффект взаимного увлечения сверхпроводника и экситон-поляритонов. Полупроводник между зеркалами позволяет получить сверхтекучую жидкость из экситон-поляритонов, а течение этой жидкости может запускать ток электронов в сверхпроводнике. Авторы статьи посчитали, насколько сильным будет этот эффект, используя реалистичные параметры современных полу- и сверхпроводящих материалов.
«Каждая из подсистем проявляет квантовые эффекты, но электроны в сверхпроводнике движутся медленно, а экситон-поляритоны — очень быстро. Движение электронов переносит электрический заряд, а поток экситон-поляритонов — нейтральный. Но через взаимное увлечение мы можем связать между собой эти две сильно различающиеся системы», — комментирует Алексей Соколик, один из авторов статьи, старший научный сотрудник лаборатории «Математические методы естествознания».
«Явление увлечения можно характеризовать, например, рассматривая, насколько большой электрический ток в сверхпроводнике возникнет, если мы начнем увлекать электроны. При реалистичных параметрах моделируемой системы ток может достигать наноампер, он может быть измерен в эксперименте», — добавляет Азат Аминов, первый автор статьи, аспирант базовой кафедры квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН факультета физики НИУ ВШЭ.
Исследователи подчеркивают, что одна из перспективных задач для развития квантовых технологий — усиление эффекта взаимного увлечения экситон-поляритонов и сверхпроводящих электронов.