Laureaci programu MISTRZ Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, profesorowie Grzegorz Karczewski i Tomasz Wojtowicz z Instytutu Fizyki PAN są współautorami przełomowego osiągnięcia – opracowania nowej metody przechowywania informacji z wykorzystaniem spinów elektronowych. Wyniki swoich badań przedstawili w pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Nature Photonics.

Możliwość przechowywania informacji zakodowanej optycznie (w postaci impulsu światła) stanowi szansę dla dalszego rozwoju ultraszybkich komputerów i telekomunikacji kwantowej. Dostępne obecnie nośniki informacji nie zapewniają tak dużych szybkości przetwarzania, jaką może zapewnić wykorzystanie kodowania optycznego. Długotrwałe przechowywanie przy jednoczesnym szybkim zapisie i odczycie informacji optycznej jest jednak bardzo trudno zrealizować w praktyce. Przyczyną tego stanu rzeczy są kwantowo-mechaniczne własności fizyczne światła, jak i materii oddziałującej ze światłem, która mogłaby być potencjalnie użyta jako nośnik pamięci.

Jednym z podstawowych problemów optoelektroniki kwantowej był do tej pory bardzo krótki czas życia (przechowywania informacji) stanów kwantowych w półprzewodnikowych strukturach kwantowych wykorzystywanych jako bardzo szybki i energooszczędny układ zapisu informacji. Dzięki pracy m.in. polskich fizyków ten czas udało się ostatnio
przedłużyć ponad tysiąc razy. Wyniki badań dokumentujące to właśnie osiągnięcie zostało przedstawione w pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Nature Photonics [1].

Międzynarodowy zespół badawczy, w skład którego wchodzą naukowcy z Dortmundu, St.Petersburga oraz z Instytutu Fizyki PAN, zaprezentował nową, unikalną metodę przechowywania informacji. Wykorzystano w niej stymulowane echo fotonowe, zjawisko fizyczne, w którym informacja zawarta w polu optycznym (impulsie światła) jest przekazywana do systemu spinów elektronów struktury półprzewodnikowej ? tzw. studni kwantowej, a po jakimś czasie ponownie wypromieniowana w postaci impulsu światła będącego kopią (pod względem intensywności, koherencji optycznej i fazy) oryginalnego impulsu świetlnego – ?echa?. Informacja w postaci kwantowego wzbudzenia układu spinów, odizolowanego od optycznego pola próżni, może w tym stanie przetrwać znacznie dłużej niż samo wzbudzenie optyczne.

Układem ?przechowującym? informacje przy zastosowaniu tej metody jest system spinów gazu elektronowego w studni kwantowej. Takie specjalne, ultra-wysokiej jakości studnie kwantowe zostały wyhodowane w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych (SL3) Instytutu Fizyki PAN z półprzewodnika ? tellurku kadmu metodą epitaksji z wiązek molekularnych. Autorzy publikacji zademonstrowali, wykorzystując subtelne zjawisko echa fotonowego z użyciem przejść trionowych (triony to naładowane kompleksy trzycząstkowe, w tym przypadku składające się z dwóch elektronów i jednej dziury) w studniach kwantowych w polu magnetycznym, że czas przechowywania informacji optycznej w nowego typu pamięci spintronicznej może być wydłużony o ponad trzy rzędy wielkości – z zakresu pikosekundowego do zakresu dziesiątek nanosekund.

Stanowi to istotny krok na drodze do uzyskania wydajnego i długoczasowego przechowywania informacji optycznej, a tym samym stanowi model nowego typu spintronicznej pamięci optycznej. Profesorowie Grzegorz Karczewski i Tomasz Wojtowicz informują jednocześnie, iż w tej samej międzynarodowej grupie naukowców pracują obecnie nad dalszym wydłużeniem czasu przechowywania informacji optycznej z wykorzystaniem spinów elektronowych, ale już nie w obiektach dwuwymiarowych, lecz w zawierających elektrony obiektach zero-wymiarowych, w tzw. kropkach kwantowych z CdTe i CdSe, wytwarzanych w Laboratorium SL3 IF PAN metodą epitaksji molekularnej.

[1] ?Access to long-term optical memories using photon echoes retrieved from semiconductor spins?, L. Langer, S. V. Poltavtsev, I. A. Yugova, M. Salewski, D. R. Yakovlev, G. Karczewski, T. Wojtowicz, I. A. Akimov, and M. Bayer, Nat. Photon. 8, 851 (2014).

 

KONTAKT:
prof. dr hab. Grzegorz Karczewski
Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 1162541, +48 22 8431331
email: karcz@ifpan.edu.pl

prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz
Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 1163123, +48 22 8431331
oraz aktualnie:
Department of Physics and Astronomy, Purdue University,
525 Northwestern Avenue, West Lafayette, IN 47907-2036
tel. +01 765 5883415
email: wojto@ifpan.edu.pl

 

Rysunek: a) Schematycznie przedstawiona studnia kwantowa CdTe z barierami CdMgTe zawierająca
dwuwymiarowy gaz elektronowy zaraz po rezonansowym wzbudzeniu optycznym kreującym wewnątrz
niej triony (oznaczone symbolicznie jako kółeczka zawierające dwie czerwone kropki ? elektrony i
jedną dziurę ? oznaczoną znakiem plus);
b) ułożenie pasm przewodnictwa (PP) oraz pasm walencyjnych (PW) w strukturze tejże studni z zaznaczonymi poziomami kwantowymi oraz pojedynczym trionem T;
c) schemat układu zapisu i odczytu informacji optycznej w studni kwantowej wraz zaznaczonym kierunkiem pola magnetycznego B oraz kierunkami padania wiązek impulsów optycznych: zapamiętywanego (1), zapisu (2), odczytu (3), echa fotonowego (EF) oraz stymulowanego echa fotonowego (SEF);
d) czasowa sekwencja impulsów oraz przykład eksperymentalnie obserwowanego echa fotonowego oraz krótko-życiowego echa stymulowanego przed włączaniem pola magnetycznego umożliwiającego zapis informacji w systemie spinów
(Rysunek zaadoptowany z arXiv:1401.3377).