«Квантовый скачок в оптоэлектронике»: физики Питерской Вышки и ЮФУ разрабатывают решения для микролазеров нового поколения
Что объединяет сверхточные сенсоры и квантовые компьютеры будущего? Все они нуждаются в миниатюрных и мощных источниках света. Именно над созданием таких микроскопических светоизлучающих устройств (микролазеров) сегодня работают ученые из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург совместно с коллегами из Лаборатории эпитаксиальных технологий Южного федерального университета.
Команды заркальных лабораторий проводят исследования в области квантовой оптоэлектроники. На совместном научном семинаре в Таганроге ученые обсудили первые результаты и направления дальнейших разработок для создания микроскопических источников излучения — микролазеров — в ближнем инфракрасном диапазоне. Это ключевой элемент будущих квантовых компьютеров, сверхбыстрых оптических вычислителей и сенсоров. Новый проект «Источники оптического излучения на основе квантово-размерных структур III-V для интегральной оптоэлектроники: исследование физических явлений, разработка конструкции и методов формирования» направлен на проведение научных исследований современных полупроводниковых источников оптического излучения для современных оптоэлектронных устройств.
По словам заведующей Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники Натальи Крыжановской, совместное взаимодействие позволит расширить знания в области фундаментальной физики полупроводников и эпитаксиальных процессов (технологии выращивания тонких и ровных кристаллических слоев на поверхности другого кристалла), оптоэлектроники и нанофотоники, а также увеличить инструментарий исследований.
«В нашей лаборатории основной фокус направлен на разработку активных светоизлучающих устройств — полупроводниковых микролазеров на основе системы материалов А3В5. Кроме того, ведется разработка архитектур фотонных схем, предназначенных для управления и модулирования свойств проходящего оптического излучения. Деятельность коллег в Таганроге сфокусирована на эпитаксиальном росте, в частности, на молекулярно-пучковой эпитаксии. Такой метод используется для создания тонких А3В5 слоев на поверхности подложек GaAs.
Именно поэтому эпитаксиальный рост позволяет нам получать новые экспериментальные микро- и нанообъекты, такие как квантовые точки, нитевидные нанокристаллы системы материалов A3B5 для последующих исследований. Кроме того, в ЮФУ реализуются и методы структурирования поверхности полупроводников, например, с помощью метода травления фокусированным ионным пучком. Подобная методика позволяет модифицировать поверхность сформированных наноструктур, и, как следствие, изменять их свойства. К тому же, полученные после ионного травления структурированные эпитаксиальные подложки могут использоваться для получения низкоплотных квантовых точек, а также селективного роста других квантоворазмерных наноструктур», — объясняет доктор физико-математических наук Наталья Крыжановская.
Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург сотрудничает с Лабораторией эпитаксиальных технологий ПИШ ЮФУ с 2022 года в рамках программы «Зеркальные лаборатории». Команды вузов проводят совместные очные семинары и научные исследования в рамках проекта «Создание и исследование полупроводниковых гетероструктур А3В5 с квантовыми точками для нанофотоники, излучателей одиночных фотонов, микро- и нанолазеров». Формула А3В5 — это система материалов третьей и пятой группы элементов таблицы Менделеева. Именно такие материалы сегодня чаще всего применяются в производстве полупроводниковых приборов: лазеров, фотоприемников, солнечных батарей и источников света. Структуры, которые разрабатывают ученые, — это квантовые ямы, квантовые точки и квантовые проволоки (нитевидные нанокристаллы). Их очень малые размеры придают им совершенно особые оптические и электронные свойства, которые невозможно получить в обычных материалах.
«Исследуемые низкоразмерные квантовые точки станут основой для создания источников одиночных и запутанных фотонов — ключевых элементов систем квантового шифрования и квантовых вычислений. Оптическая связь обеспечивает гораздо более высокие скорости передачи данных, уменьшенное энергопотребление, большую безопасность и лучшую помехозащищенность по сравнению с традиционными методами электрической связи по проводам или кабелю. Возможности оптических коммуникаций превышают возможности традиционных медных межсоединений и позволяют существенно повысить эффективность и увеличить ширину полосы пропускания», — поясняет Наталья Крыжановская.
Ответный визит специалистов Южного федерального университета в Санкт-Петербург состоится осенью 2025 года.
Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники — подразделение Школы информатики, физики и технологий. С 2020 года ее сотрудники специализируются на исследованиях в области полупроводниковых наноструктур, сверхмалых излучателей света и оптоэлектронных приборов.