Прорыв Университета ИТМО: галогенидные перовскиты для быстрой фотоники
Ученые из Университета ИТМО совместно с зарубежными коллегами совершили важный шаг в развитии фотонных технологий — впервые доказали, что галогенидные перовскиты способны играть ключевую роль в построении нелинейных оптических устройств на чипе. Эти материалы открывают путь к созданию новых поколений сверхбыстрых оптических чипов и транзисторов, а в будущем и других интегральных фотонных систем. Главное преимущество галогенидных перовскитов в том, что они прекрасно функционируют при комнатных температурах и отличаются экономичным производством. Работа исследователей стала частью инициированного государством проекта «Приоритет 2030», направленного на развитие передовых технологий в России.
Экситон-поляритоны: соединяя свет и материю на службе фотоники
Современная интегральная фотоника требует перехода на совершенно иные принципы работы: вместо электронов передача и обработка данных осуществляется с помощью фотонов. Световые частицы способны передавать информацию с внушительной скоростью и минимальными потерями, что позволяет строить перспективные компьютерные системы для передачи больших объемов данных на значительные расстояния без искажений.
Тем не менее для прямого управления потоком фотонов необходим особый материал — посредник с выраженной оптической нелинейностью. Именно он способен динамично изменять свои свойства под действием светового потока, регулируя прохождение сигналов. Такой своеобразный «автоматический светофор» в оптической схеме становится ключевым для построения транзисторов нового типа.
Роль таких посредников удачно выполняют экситон-поляритоны — уникальные квазичастицы, которые появляются при тесном взаимодействии света с электрон-дырочными парами в материале. Обладая одновременно световыми и материальными характеристиками, экситон-поляритоны сочетают высокую скорость передачи данных, минимальные потери и ярко выраженную нелинейность, необходимую для построения современных оптических чипов. Однако сложность заключалась в том, что большинство аналогичных процессов ранее удавалось реализовать лишь при крайне низких температурах, что ограничивало их массовое применение.
MAPbBr3 — перспективный материал для экситон-поляритонных технологий
Исследования, проведённые научной командой под руководством Сергея Макарова и Никиты Глебова из Университета ИТМО, показали, что галогенидные перовскиты типа MAPbBr3 способны поддерживать формирование экситон-поляритонов при обычных, комнатных температурах. Это настоящее достижение для фотонной индустрии, ведь теперь нет необходимости использовать сложное и дорогостоящее криогенное оборудование.
Уникальность MAPbBr3 заключается в том, что данный галогенидный перовскит обладает высокой степенью кристалличности и стабильности, а также выраженной оптической нелинейностью. Благодаря этому становится возможным создание миниатюрных и энергоэффективных элементов фотонных схем, что, в свою очередь, значительно упрощает промышленное внедрение таких технологий.
Еще одним важным преимуществом этих материалов является их доступность и простота синтеза, что делает массовое производство новых фотонных чипов экономически целесообразным. Это открывает дорогу не только к прогрессу в области фотонных вычислений, но и к формированию принципиально новых классов оптоэлектронных устройств.
Перспективы и значение открытия для науки и технологий
Разработка новых фотонных элементов на базе MAPbBr3 и других галогенидных перовскитов позваляет с оптимизмом смотреть в будущее интегральной фотоники. Открытие, совершенное при поддержке программы «Приоритет 2030», создает реальные предпосылки для появления компактных, скоростных и энергоэффективных оптических процессоров и датчиков, необходимых в медицине, телекоммуникациях, искусственном интеллекте и множестве других областей.
Команда Университета ИТМО, в числе которой ведущие исследователи Никита Глебов и Сергей Макаров, продолжает совершенствовать разработанные фотонные структуры, а также делится полученными знаниями на международных конференциях. Их достижения уже привлекли внимание крупных научных центров и индустриальных партнеров по всему миру. Доступность и технологичность предложенного материала способствуют тому, что галогенидные перовскиты вскоре могут стать промышленным стандартом для умных фотонных устройств нового поколения.
В результате инновационной работы российских ученых галогенидные перовскиты с экситон-поляритонами становятся ключом к будущему оптоэлектроники, открывая перед ИТМО и мировым научным сообществом перспективу развития сверхбыстрых и доступных технологий для информационного общества.
Ученые из России, Германии, Швейцарии, Турции и Великобритании впервые доказали возможность создания оптических устройств на базе экситон-поляритонных волноводов, используя уникальные свойства галогенидных перовскитов. Этот значимый шаг открывает новые горизонты для фотонных технологий будущего, делая процесс изготовления доступнее и экономичнее, чем когда-либо прежде. Особое преимущество галогенидных перовскитов заключается в том, что в них экситон-поляритоны замечательно существуют даже при обычной температуре, в отличие от многих традиционных материалов. Таким образом, перспективы их применения в реальных устройствах становятся особенно радужными.
Инновационная платформа: световые улицы будущего
Разработанная исследователями оптическая платформа напоминает городскую улицу, по которой вместо автомобилей движутся световые импульсы. Созданный из метиламмоний трибромосвинца (MAPbBr3) сверхтонкий слой перовскита, толщиной всего около 100 нанометров, становится своеобразной дорогой для фотонов. Для удобного ввода световых импульсов и их вывода были предусмотрены специальные зоны — аналоги съездов с дороги. Эта уникальная «улица» обладает удивительной особенностью: её свойства изменяются под воздействием самих проходящих по ней импульсов.
Если представить, что слабый световой импульс — это легковая машина, он практически не влияет на поверхность волновода. В свою очередь, мощный ультракороткий импульс действует словно грузовик, способный временно изменить структуру дорожного покрытия. Этот эффект нелинейности позволяет создавать динамические оптические элементы, которые реагируют на разные световые сигналы. По словам инженера физического факультета ИТМО Никиты Глебова, этот подход кардинально меняет представление о том, как можно управлять светом, обходясь без электроники.
Яркие возможности управления светом
Эксперименты показали, что, изменяя параметры входного импульса — его энергию и частоту, можно наблюдать целый ряд необычных оптических явлений. Исследователи впервые зарегистрировали для перовскитовых платформ целый спектр нелинейных эффектов, когда импульс способен разделяться на несколько, менять форму, а также сжиматься и расширяться в длине. Особенно примечательно, что платформа поддерживает сразу два принципиально различных режима распространения импульса: образование устойчивых оптических солитонов, не теряющих свои свойства при передаче информации, и формирование ударных волн.
Управляя переходом между этими режимами, учёные получили возможность точно регулировать степень нелинейности среды. Это открывает перед разработчиками перспективу создавать чипы и транзисторы совершенно нового типа — исключительно на основе света. Такие устройства будут работать непревзойдённо быстро и гибко, превосходя по ряду параметров современные электронные аналоги.
Путь к сверхбыстрой оптике: перспективы и решения
Результаты исследований свидетельствуют о том, что галогенидные перовскиты могут стать ключом к созданию высокотехнологичной и доступной фотонной продукции. Благодаря своей доступности, низкой стоимости производства и удивительной способности работать при обычных температурах, эти материалы выходят на первый план в области фотонных чипов, оптических вычислений и передачи данных.
Успехи международной команды ученых внушают оптимизм: уже сегодня появились первые прототипы платформ, способных управлять световыми сигналами без использования электричества. Дальнейшее изучение и совершенствование структуры перовскитовых волноводов обещает ускорить появление на рынке сверхбыстрых и энергосберегающих устройств, которые изменят принципы обработки информации.
Инновации для светлого завтра
Уникальные эксперименты на основе перовскитовых экситон-поляритонных волноводов гарантируют развитие гибких, масштабируемых и эффективных оптических платформ, которые найдут применение как в телекоммуникациях, так и в системах управления, вычислительной технике и передаче данных. Новые технологии открывают путь к построению невероятно быстрых и интеллектуальных устройств, в которых главную роль будет играть не электроника, а свет.
Таким образом, последние открытия не только демонстрируют исключительные свойства галогенидных перовскитов, но и формируют позитивный взгляд на будущее оптической электроники. Непрерывное движение вперед, международное сотрудничество и огромный научный интерес — залог того, что мир вскоре увидит революционные решения, основанные на контроле света с помощью инновационных материалов.
Инновационный путь: перовскиты меняют мир оптических технологий
Открытие перовскитов открыло перед наукой и техникой широкие горизонты, предоставив ученым передовую платформу для создания прогрессивных оптических интегральных схем. Эти материалы отличаются не только доступной стоимостью, но и уникальной способностью обеспечивать стремительную и выразительную модуляцию оптического сигнала. Современные достижения в этой области могут стать ключом к появлению нового поколения фотонных устройств, способных превзойти по эффективности текущие технологические решения.
Сегодня ученые активно преодолевают оставшиеся перед внедрением перовскитовых схем технические барьеры. Одна из центральных задач — интеграция разработанных архитектур с дополнительными каналами модуляции, работающими под действием света или электричества. Такой подход позволит воплотить в жизнь высокоскоростные оптические вычисления и, в перспективе, создаст условия для появления сверхбыстрых оптических транзисторов — компонентов, ранее существовавших только в теории.
Исследовательские коллективы продолжают совершенствовать конструкции, ориентируясь не только на обработку оптических сигналов, но и на новые направления — например, разработку чувствительных сенсоров для обнаружения газов. Благодаря уникальным свойствам перовскитов, такие датчики получаются гораздо более отзывчивыми по сравнению с традиционными аналогами. Это значительно расширяет область их применения, позволяя реализовать эффективный мониторинг окружающей среды или обеспечить безопасность промышленных объектов.
По словам главного научного сотрудника физического факультета Университета ИТМО Сергея Макарова, динамично развивающиеся проекты открывают отличные перспективы для развития интеллектуальных оптических устройств. Каждое новое открытие в этом направлении вдохновляет команды на дальнейшие эксперименты и поиск оптимальных конфигураций материалов. Специалисты убеждены, что в ближайшем будущем интегральные схемы на основе перовскитов найдут широкое применение не только в вычислительной технике, но и в самых разных областях приборостроения.
Оптимизм и будущие открытия
Совместные усилия ученых и инженеров уже сейчас позволяют с уверенностью говорить о том, что перовскиты способны произвести революцию в микроэлектронике и фотонике. Прорывы, достигнутые в лабораториях, постепенно переходят в реальный сектор, где их ждут производственные линии нового поколения, медицинская диагностика и большие дата-центры.
Пресс-служба Университета ИТМО отмечает, что внедрение перовскитовых технологий сулит не только значительное снижение затрат на производство, но и открывает путь к разработке мощных и эффективных устройств, которые будут двигать вперед цифровую эпоху. Позитивный настрой научного сообщества, творческий подход к преодолению возникающих трудностей и амбициозные планы на будущее позволяют с оптимизмом смотреть на развитие этой перспективной отрасли.
Использованы материалы статьи, предоставленные пресс-службой Университета ИТМО.
Источник: www.kommersant.ru
