Тополяритон - новая квазичастица, наполовину материя и наполовину свет

Джил Рефаел (Gil Refael), профессор теоретической физики и теории конденсированного вещества из Калифорнийского технологического института (Caltech), выдвинул обоснование возможности существования квазичастицы нового типа, тополяритона, которая является наполовину материей и наполовину светом. Если в будущем ученые научаться создавать и управлять такими частицами, которые должны обладать целым рядом экзотических свойств, то это поможет улучшить эффективность множества типов фотоэлектрических приборов, оптических усилителей, фотогальванических ячеек солнечных батарей, сенсоров для камер, сканеров штрих-кодов и многое другое.

Квазичастицы, такие, как тополяритон, являются сложными образованиями, которые демонстрируют некоторые из свойств, присущих обычным элементарным частицам, таким, как электроны или кварки. Они возникают в результате резких изменений динамического состояния системы и существуют только в среде твердых материалов. К квазичастицам относятся фононы (группы атомов или молекул, совершающих синхронные колебания), солитоны (отдельные волновые пакеты, которые при перемещении сохраняют свою скорость и форму) и экситоны, состоящие из связанных в единое целое электрона и электронной дырки. И поглощение фотона света экситоном при некоторых условиях может привести к образованию новой квазичастицы, поляритона.

Электроны, движущиеся через полупроводниковые материалы, что используется во всей современной электронике и компьютерах, из-за электрического сопротивления материала теряют свою энергию, которая выделяется в виде нежелательного тепла. Со светом дело обстоит несколько иначе, однако в оптике существует несколько других причин потери уровня сигнала и связано это с нежелательным отражением и рассеиванием фотонов. Джил Рефаел утверждает, что использование тополяритонов, перемещающихся строго на границе полупроводникового материала, в качестве носителей сигнала позволит уменьшить затухание сигналов в электронных системах и увеличить стабильность фотонов в оптоэлектронных устройствах.

С точки зрения Джила Рефаела, тополяритоны представляют собой квазичастицы наподобие поляритонов, но которые способны перемещаться лишь по краям "потенциальных ям" в полупроводниковом материале. "Мы можем взять любой из известных полупроводников с известным значением ширины потенциального барьера и, применив особый метод возбуждения, дать начало образованию квазичастиц, состоящих из фотона, электрона и электронной дырки" - рассказывает Рефаел, - "А дополнительный фотон яркого света, поглощенный образовавшимся поляритоном, заставит его двигаться строго по краю потенциальной ямы системы, т.е. по границе полупроводникового материала. В данном случае взаимодействие света и материи порождает новые топологические квантовые состояния, которые не могут возникнуть естественным образом".

Поскольку тополяритон обладают и свойством материи и свойством света одновременно, то управление ими может быть реализовано при помощи оптических отражателей или фотонных запрещенных зон, созданных в оптической среде, в которой обычные фотоны перемещаться не могут принципиально. Кроме этого, управление направлением движения тополяритонов может быть реализовано при помощи магнитного поля. "Все это позволит нам создавать экзотические оптические устройства, к примеру, односторонний фильтр, которые передает свет в одном направлении с минимальными потерями".

Однако, переход от теории к практике будет достаточно долгим и тяжелым. "Нам придется создать принципиально новые виды интерфейсов между фотонным миром и электронным миров" - рассказывает Джил Рефаел, - "Главной проблемой будет создание односторонних волноводов для фотонов света видимого диапазона, но, мы надеемся решить это при помощи стандартных полупроводниковых технологий, в которых будут использоваться тополяритоны и которые будут выступать в качестве посредников между чисто оптическими и чисто фотонными элементами будущих оптоэлектронных устройств".

Первоисточник