物理

光ベースの情報処理チップは、今日のエレクトロニクスに比べて処理能力と速度が大幅に向上する可能性がありますが、その開発における課題の 1 つは、高速な光制御スイッチを作成することです。 半導体材料内で 1 つの光信号が別の光信号を制御できるようにする新しいトリックにより、チップ上に容易に統合できるデバイスのスイッチング時間が約 10 ～ 12 秒から 100 倍も高速化されました [1] 。 この高速スイッチングは、超伝導体や低温ガスのエキゾチックな挙動で有名な量子状態であるボース・アインシュタイン凝縮（BEC）を新しい方法で利用することによって実現されます。 この研究は、超高周波光情報技術への道を開きます。

光を使用して電流を制御する光電子スイッチングは、これまでにわずか 1 フェムト秒 (10-12 秒) 以内に実証されていますが、製造と動作が困難な半導体デバイスでのみ実証されています [2]。 チップベースの光デバイスを製造する別のアプローチでは、光キャビティに閉じ込められた光子が励起子と呼ばれる電子状態（電子と「正孔」の組み合わせ、または電子の欠如）と相互作用するときに形成される励起子ポラリトンと呼ばれる電子励起を利用します。電子）。 光子と励起子は結合して準粒子、励起子ポラリトンを形成することがあります。

励起子ポラリトンは、光の強度が変化すると突然変化する方法で光と相互作用することがあります。 特に、光パルスは、これらの準粒子によって放出される光を突然ゼロ強度まで低下させる可能性があります。 ポラリトンベースの光スイッチは、スイッチング時間がピコ秒程度であることが以前に報告されています [3、4]。

中国華東師範大学のHui Li氏率いる中国のチームは、準粒子が単一の量子状態に「凝縮」するポラリトンのBECを利用してスイッチングを高速化したいと考えた。 ボース・アインシュタイン凝縮は一般に超低温でのみ起こりますが、半導体マイクロキャビティ内の励起子ポラリトンは室温でも BEC を形成する可能性があります [5]。 このようなポラリトン凝縮体は、これまでにも光スイッチやその他のデバイスで使用されてきました[3、6]が、Liらは新しい技術を使えばさらに高速なスイッチングを実現できるのではないかと考えました。 彼らは、光の「制御」パルスが準粒子の光子部分と相互作用して、多くのポラリトンを BEC 状態から急速に除去し、システムのスイッチを突然オフにする方法を利用したいと考えていました。

研究チームのポラリトン BEC は、わずか数フェムト秒の紫外線ポンプ パルスによって生成される励起子ポラリトンから、マイクロキャビティ (断面 3.6 マイクロメートルの酸化亜鉛ワイヤ) 内で形成されます。 ポンプ光子はワイヤの六角形の断面内で跳ね返り、材料内の励起子と相互作用してポラリトンを形成します。 ポラリトンは約 2,000 万個の準粒子からなる BEC に凝縮し、数ピコ秒以内に崩壊します。 ポンプパルスは入力信号として機能します。 BEC が継続している間、その光子の一部が放出され、出力として検出できます。

赤色レーザーからの制御パルスは凝縮物を破壊し、ポラリトンを枯渇させ、出力信号をオフにします。 リー氏によると、この混乱は 1 ピコ秒未満で発生し、以前のポラリトン スイッチよりも約 100 倍速いという。 さらに、このデバイスのオン信号とオフ信号の比 (消光比) は約 100 万であり、ポラリトン スイッチで最高の値が達成されます。 研究者らは、制御パルスの持続時間を短くすることでスイッチング速度が10倍速くなる可能性があると述べている。

メリーランド大学カレッジパーク校の量子光学専門家ダニエル・スアレス・フォレロ氏は、「これは非常に素晴らしい研究であり、その結果に感銘を受けている」と語る。 「BEC の最初の実験的デモンストレーションから 27 年が経ち、この現象をホストするシステムの制御が、技術的応用が実装できる点まで改善されたのを見るのは素晴らしいことです。」

同氏は、このデバイスの室温動作、速いスイッチング時間、高い消光比を賞賛しています。 このような特性により、「これらのシステムは超高速スイッチング技術に非常に適しています」と彼は言います。 しかし、スアレス・フォレロ氏は、克服すべき重要な課題がまだ残っていると警告する。たとえば、レーザーを含むセットアップのすべてのコンポーネントの小型化などだ。

–フィリップ・ボール

フィリップ・ボールはロンドン在住のフリーランスのサイエンスライターです。 彼の最新の著書は『The Modern Myths』（シカゴ大学出版局、2021年）です。

Fei Chen、Hui Li、Hang Zhou、Song Luo、Zheng Sun、Ziyu Ye、Fenghao Sun、Jiawe Wang、Yuanlin Zheng、Xianfeng Chen、Huiliang Xu、Hongxing Xu、Tim Byrnes、Zhanghai Chen、および Jian Wu

物理学。 レット牧師。 129、057402 (2022)

2022 年 7 月 29 日発行

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