Фотонные микросхемы, которые используют фотоны вместо электронов, уже применяются в вычислительной технике. Сейчас большинство из них делают на кремнии — это удобно, потому что он и так используется в электронике. Но у кремния есть ограничения по пропускной способности.

Отличная альтернатива — тетрагональный титанат бария (BTO). Это ферроэлектрический перовскит, который можно выращивать прямо на кремнии, и у него куда лучше оптико-электронные свойства.

Проблема в том, что материал новый, и его квантовые свойства еще не до конца изучены. Ученые из MARVEL разработали вычислительный метод, который позволяет моделировать поведение BTO и других перспективных материалов.

Результаты опубликованы в издании Physical Review B.

Исследование — результат сотрудничества науки и бизнеса при поддержке швейцарского агентства Innosuisse. Стартап Lumiphase, который производит устройства на основе BTO, обратился к ученым из группы Матье Луизье в ETH Zurich. Те, в свою очередь, работали с командой Николы Марцари из EPFL, чтобы смоделировать материал и помочь его оптимизировать.

Главная задача — точно описать эффект Поккельса: изменение коэффициента преломления материала под действием электрического поля.

Принцип действия

• В оптоэлектронном приемопередатчике создают интерферометр с двумя плечами.
• В одном плече свет проходит без изменений.
• В другом, который интегрирован в тонкую пленку BTO, меняют коэффициент преломления с помощью электрического поля — и фаза электромагнитной волны сдвигается.
• Когда волны из двух плеч снова соединяются, возникает интерференция, которая кодирует нули и единицы.

Обычно для моделирования эффекта Поккельса используют теорию возмущений функционала плотности (DFPT). Но этот метод опирается на конкретный функционал (LDA), что ограничивает точность расчетов. Ученые хотели создать метод, который не зависел бы от функционала и вообще обошелся без DFPT, используя только стандартную теорию функционала плотности.

Решение нашли в численном методе конечных разностей. Здесь помогла платформа AiiDA — она автоматизировала расчеты, что критично для промышленного применения.

Еще одна проблема — «фантомные» фононные частоты в симуляциях BTO. Это признак того, что материал в модели динамически неустойчив. Такое бывает у ферроэлектриков, которые меняют фазу при разных температурах.

Чтобы стабилизировать фононы, ученые создали суперъячейку (увеличенную кристаллическую ячейку) и сместили атомы титана от центра. Это приблизило модель к реальности — и «фантомные» частоты исчезли.

Результаты проверили на экспериментальных данных и предыдущих расчетах. Они совпали, но не идеально. Причины:

• Точная структура кристаллов из старых расчетов неизвестна.
• В промышленности используют тонкие пленки, а в модели — идеальный кристалл без дефектов.

Чем меньше смещение титана, тем выше коэффициент Поккельса. А чем он выше, тем компактнее можно сделать устройство — это важно для промышленности.

Следующий шаг — изучить, как эффект Поккельса зависит от частоты электрического поля. Пока это сложно, потому что нужны низкие частоты, а они требуют учета движения не только электронов, но и ионов.

Этот метод позволяет:

• Быстрее тестировать материалы — не нужно подбирать функционалы, расчеты становятся универсальными.
• Улучшать промышленные устройства — например, делать компактные модуляторы света для дата-центров.
• Открывать новые материалы — подход можно применять не только к BTO, но и к другим перовскитам.

В долгосрочной перспективе это может привести к созданию более энергоэффективных процессоров и систем связи.

Ранее ученые создали полупроводник для оптоэлектроники.