Лаборатории Гибридной Фотоники

Гибридная фотоника является новой развивающейся областью исследований на стыке традиционной оптоэлектроники и квантовых технологий, которая охватывает широкий спектр исследовательских областей от вопросов фундаментальной физики до решения прикладных задач, связанных со взаимодействием света с веществом.

Деятельность лабораторий гибридной фотоники сфокусирована на двух основных направлениях исследований: гибридной оптоэлектронике и поляритонике. Цель лабораторий: оптическое исследование гибридных наноструктур на основе коллоидных нанокристаллов и органических полупроводников; интеграция новых перспективных материалов в гибридные оптоэлектронные устройства (светоизлучающие диоды и фотоэлектрические элементы); исследование природы взаимодействия света с веществом в органических и неорганических микрорезонаторах; изучение физики поляритонов и конденсатов Бозе-Эйнштейна; создание и развитие новых подходов к решению сложных вычислительных задач с использованием аналоговых симуляторов на основе систем связанных поляритонных конденсатов.

Гибридная оптоэлектроника

Основным направлением деятельности является разработка эффективных светоизлучающих и фотовольтаических структур. Исследования, проводимые в лаборатории гибридной фотоники, сосредоточены на интеграции недорогих и эффективных коллоидных нанокристалов (квантовых точек) в существующие твердотельные технологии. Не смотря на то, что такие новые материалы могут обеспечить очень интересные свойства, например, высокое сечение поглощения в широком диапазоне спектра, присущим недостатком остается сложность осуществления эффективного обмена энергией между квантовыми точками и полупроводником. В наших исследованиях мы изучаем влияние геометрии расположения квантовых точек в объеме полупроводника. Формируя «правильную» геометрию, возможно реализовать высокоэффективный резонансный перенос энергии между квантовыми точками и объемными полупроводниками. В лаборатории ведутся работы в тесном сотрудничестве с ведущими индустриальными партнерами (Luxaltek, RosElectronics, Cyclon, IBM, Toshiba, Hitachi, OSRAM, Philips, Samsung, TSMC).

Гибридная фотовольтаика

Наши исследования сосредоточены на нескольких ключевых тонкопленочных фотоэлектрических технологиях, охватывающих как традиционные материалы (тонкопленочный кремний, кадмий-теллурид), так и новые перспективные системы (перовскиты, коллоидные нанокристаллы). Совместно с исследовательскими группами и промышленными партнерами, такими как Университет Ливерпуля, Национальный университет Цзяотун, Корпорация Arima (Тайвань), были разработаны и изготовлены различные гибридные фотовольтаические структуры. Используя оборудование нашей лаборатории, полностью измерены ключевые характеристики изготовленных структур (внутренняя / внешняя квантовая эффективность, плотность генерируемого тока, эффективность преобразования фотонов). Кроме того, нами активно используются современные методы спектроскопии (фотолюминесценция с временным разрешением) для полного понимания переноса энергии между различными материалами, составляющими гибридные устройства (коллоидные квантовые точки, объемный p-n-переход и т.д.). Недавним достижением нашей группы стала разработка новой технологии, которая использует дешевые коллоидные квантовые точки для захвата носителей зарядов, сгенерированных в верхнем слое солнечной батареи на основе InGaP, с последующим переизлучением полученной энергии. Такая технология позволяет получить 15% относительного улучшения эффективности преобразования фотонов в ток.

gibr

Схематическое изображение гибридной солнечной батареи InGaP (слева) и J-V характеристика (справа): до (черная линия) и после (красная линия) гибридизации квантовыми точками.

Гибридные светодиоды

Нашим последним достижением стала демонстрация рекордной эффективности преобразования в белых светодиодах в сотрудничестве с компаниями Тайваня – TSMC и Luxaltek. Это стало возможным благодаря определенному структурированию квантовых точек в объеме светоизлучающего диода. Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха позволяют осуществлять полную характеризацию светоизлучающих структур на всех этапах их изготовления.

Поляритонный симулятор 

Исследование природы сложных квантовомеханических систем с многими степенями свободы является одной из наиболее важных направлений современной экспериментальной физики, следствия которой распространяются на многие области науки и техники, от информатики до биомедицины.  На сегодняшний день существует лишь несколько способов экспериментального исследования природы сложных квантово-механических систем с многими степенями свободы, среди которых, симулятор, основанный на связанных Бозе-Эйнштейновских конденсатах поляритонов занимает отдельное место. В структурах определенного типа, т.н.  микрорезонаторах, состоящих из распределенных брэгговских отражателей с «зажатыми» между ними квантовыми ямами, возможно образование специфичных связанных состояний света и вещества – поляритонов. При определенных условиях в режиме сильной связи поляритоны начинают следовать за статистикой Бозе-Эйнштейна и конденсируются в основное состояние с одинаковой энергией и импульсом (происходит так называемая конденсация Бозе-Эйнштейна). Конденсат представляет собой макроскопический объект (возможно более тысячи поляритонов в конденсате), при этом его квантовые свойства делают его перспективным материалом для реализации симуляторов с большим числом связанных эелементов. Таким образом, изучая взаимодействия множества связанных поляритонных конденсатов можно получить представление о поведении сложных квантово-механических систем (таких, как магнитные системы со случайным взаимодействием Дзялошинского – Мория, неупорядоченные массивы джозефсоновских переходов, вихревые стекла в высокотемпературных сверхпроводниках на основе купратов, Моттовские диэлектрики с орбитальной степенью свободы, фрустрированные магниты и многие др.). В отличие от известных симуляторов на основе сверхпроводниковых кубитов (SQUID) и экспериментов с ультра-холодными атомами, которые могут быть реализованы только при температуре близкой к абсолютному 0К, поляритонный симулятор может работать при куда более высоких температурах. Недавние результаты профессора Лагудакиса и его коллег продемонстрировали большой потенциал поляритоники для квантовых симуляций.  Деятельность коллектива лаборатории направлена на развитие платформы поляритонного симулятора для решения ряда оптимизационных задач, увеличения количества связанных конденсатов и разработки методов управления связью между ними, в том числе при комнатной температуре. С другой стороны группа активно работает над исследованием сложных квантово-механических систем с использованием данного симулятора.

Facilities 

В настоящее время в состав лабораторий гибридной фотоники входит большая оптическая лаборатория, в которой имеются различные лазерные источники, спектрометры, детекторы и пр. Перестраиваемые мощные Ti: Sapphire лазерные системы, с частотой следования импульсов от 1 Гц до 300 кГц с энергией импульса до 5 мДж и длительностью от 50 фемтосекунд до 10 пикосекунд. Параметрические оптические усилители обеспечивают перестройку излучения в широком диапазоне длин волн от 200 до 10 мкм. Также имеется несколько мощных фемтосекундных Ti: Sapphire перестраиваемых осцилляторов с частотой повторения импульсов до 80 МГц, что позволяет изучать быстрые процессы с фемтосекундным разрешением, зависящие от энергии возбуждения.