Новости        Телеология        en

Наука и жизнь
Российским физикам впервые удалось экспериментально показать возможность создания сверхбыстрого оптического транзистора на основе всего лишь одной кремниевой наночастицы.

В исследованиях участвовали физики из лаборатории нанофотоники и метаматериалов Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики - ИТМО, Физического института имени Петра Николаевича Лебедева Российской академии наук и Академического университета Российской академии наук в Санкт-Петербурге. Они предложили концептуально новый подход к разработке такого транзистора, изготовив его прототип всего из одной кремниевой наночастицы. Результаты работы опубликованы в престижном научном журнале Nano Letters. В дальнейшем эти результаты могут быть использованы при разработке оптических компьютеров, где транзисторы должны обладать способностью сверхбыстрого переключения и сверхмалыми размерами.

Производительность современных компьютеров, использующих для своей работы устройства на основе движения электронов, во многом ограничена временем переключения транзистора - порядка 0.1-1 наносекунды - 10-9 секунды. Развитие же оптических компьютеров, которые в перспективе будут работать на частотах видимого света - порядка 1014 Гц невозможно без создания сверхбыстрого оптического транзистора - переключателя, то есть миниатюрного устройства, которое будет успевать управлять прохождением полезного светового сигнала за счет внешнего управляющего сигнала в пределах нескольких пикосекунд - 10-12 секунды.

«До сих пор ученые в основном пытались создать оптические нанотранзисторы, управляя поглощением наночастиц, что, в сущности, тоже логично - в режиме высокого поглощения частица почти не пропускает световой сигнал, а в режиме низкого поглощения пропускает. Однако этот подход пока не оправдал ожиданий, - пояснил первый автор статьи и старший научный сотрудник ИТМО Сергей Макаров. - Наша концепция отличается тем, что мы предлагаем управлять не поглощением, а диаграммой направленности частицы. Иными словами, в обычном режиме частица, например, рассеивает почти весь свет назад, но как только частица получает более интенсивный управляющий сигнал, она начинает перестраиваться и рассеивать вперед».

Дело в том, что авторы данной работы обнаружили, что могут менять свойства кремниевых наночастиц определенного резонансного размера, просто облучая их интенсивными сверхкороткими фемтосекундными импульсами лазера с длиной волны 700-900 нм. Под воздействием излучения внутри частицы моментально, всего за десятки фемтосекунд - 10-15 секунды, формируется плотная - с плотностью более 1020 см-3 - электронно-дырочная плазма, наличие которой сильно меняет диэлектрическую проницаемость кремния на несколько пикосекунд. Это может приводить к изменению направленности рассеянного частицей падающего света. Так, в зависимости от мощности управляющего лазерного импульса наночастица может перестать рассевать свет назад и начать рассеивать его вперед, тем самым выполняя функцию оптического переключателя. Быстрая релаксация этой плазмы после выключения лазера позволяет переключать режимы работы наночастицы всего через несколько пикосекунд.

Как известно, в традиционной оптике линз и зеркал размер системы не может быть меньше длины волны, которая в видимой области составляет порядка 0.5 микрона. Для современных электронных устройств со сверхплотной упаковкой элементов это очень большой масштаб. Чтобы эффективно конкурировать с современными электронными схемами, соответствующие оптические схемы должны быть работоспособными на масштабах много меньших длины волны. Именно с такими субволновыми наночастицами имели дело физики в этой работе. В исследованиях использовались как сферические частицы диаметром 210 нм, так и частицы в форме усеченного конуса высотой 220 нм и радиусами оснований не превышающих 120 нм. Это позволит в будущем создавать сверхкомпактные оптические устройства переключения и модуляции.

Пока исследователи показали лишь принципиальную возможность создания подобных переключателей. Теперь в их планах провести эксперименты с передачей информации.

2001-2024 Лицензия CC BY-NC-ND Денис Полевой