Жидкокристаллический квантовый холст формирует световые узоры по заказу

Исследовательская группа из МФТИ, Санкт-Петербургского и Владимирского университетов предложила новую теоретическую платформу управления гибридными квазичастицами — экситон-поляритонами. Объединив оптическую анизотропию жидких кристаллов, свойства полупроводниковых перовскитов и методы топологической оптимизации, учёные продемонстрировали создание сложных световых полей с заданной структурой: от полутоновых изображений до областей с разными поляризациями. Подробности опубликованы в Physical Review A.

В современной фотонике происходит активная замена массивных линз и зеркал на наночипы, способные точно манипулировать светом. Экситон-поляритоны, сочетая лёгкость фотонов и сильное взаимодействие экситонов, представляют собой идеальный материал для низкопороговых лазеров, переключателей и элементов квантовых вычислительных устройств.

Для полного использования потенциала поляритонов необходим гибкий контроль их распределения — создание «оптических ландшафтов», в которых квазичастицы собираются в нужных участках. Ранее применяли травление микроcтруктур и внешние поля, но эти методы не давали независимого управления модами с разной поляризацией.

Авторы разработали многослойный оптический микрорезонатор: две зеркальные поверхности, между которыми находится слой жидкого кристалла. Из-за анизотропии жидкого кристалла световые моды с X- и Y-поляризацией распространяются с разной скоростью, что позволяет сформировать два независимых канала управления.

Ключевой элемент — два сверхтонких перовскитных слоя, каждый из которых расположен в узле интенсивности одной из поляризаций и в антиноде другой. Благодаря этому один слой взаимодействует преимущественно с X-модой, а второй — с Y-модой. Созданные таким образом потенциалы для поляритонов проектируются методом топологической оптимизации.

В первом численном эксперименте учёные сформировали в излучении поляритонного конденсата полутоновое изображение, сгенерированное нейросетью DALL·E. Это показывает возможность кодирования в квантовом состоянии сложной аналоговой информации, а не только бинарных схем.

Во втором эксперименте систему возбуждали циркулярно поляризованным светом, создавая «клевер» из трёх лепестков, каждый с уникальным поляризационным состоянием: чисто X, чисто Y и циркулярным. Алгоритм топологической оптимизации сгенерировал два согласованных потенциала, которые «сортируют» поляритоны и формируют требуемые зоны поляризации.

Уникальность подхода в сочетании предопределённой анизотропии жидкого кристалла и возможности «рисовать» локальные энергетические ландшафты экситонных слоёв. Такая статичная система без сложного динамического управления открывает путь к программируемым поляритонным устройствам.

Потенциальная область применения включает оптические пинцеты, сверхразрешающую микроскопию, телекоммуникации с дополнительным каналом поляризации, а также фотонные нейроморфные сети и симуляторы квантовых систем.

Дальнейшие исследования будут посвящены динамическому перенастраиванию таких систем при помощи внешних электрических полей, способных изменять ориентацию молекул жидкого кристалла, что позволит создавать ре-тайм перепрограммируемые поляритонные платформы.

Научная статья: E. Sedov и A. Kavokin, «Engineering polariton states through liquid-crystal-induced anisotropy and topology optimization», Physical Review A 112, 013504 (2025), https://doi.org/10.1103/gj31-3wnr.

Источник