Ученые из университета итмо на пути к созданию сверхбыстрого оптического транзистора на основе одной наночастицы
Ученые из лаборатории «Нанофотоники и метаматериалов» Университета ИТМО экспериментально подтвердили возможность создания оптического аналога обычного полупроводникового транзистора на основе всего лишь одной кремниевой наночастицы. Результаты работы в дальнейшем могут быть использованы при разработке оптических компьютеров, где транзисторы должны обладать способностью сверхбыстрого переключения и повышенной компактностью.
Исследование ученых было опубликовано в высокорейтинговом научном журнале Nano Letters.
Иллюстрация работы кремниевой наночастицы в качестве оптического транзистора. На рисунке показана разница в напраленности рассеяния света частицей при низко- и высокоинтенсивном облучении лазером.
Производительность современных компьютеров, в которых носителем сигнала выступают электроны, во многом ограничена временем переключения транзистора – порядка 0.1 — 1 наносекунды (10?9 секунды). Предполагается, что в оптических компьютерах сигнал, переносимый фотонами, сможет вместить в себя куда больше информации, чем стандартный электрический сигнал.
По этой причине развитие оптических компьютеров невозможно без создания сверхбыстрого оптического транзистора, то есть миниатюрного устройства, которое будет успевать управлять прохождением полезного светового сигнала за счет внешнего управляющего сигнала в пределах нескольких пикосекунд (10?12 секунды).
В работе группа российских ученых из Университета ИТМО, Физического института им. П.Н.
Лебедева РАН и Академического университета в Санкт-Петербурге предложила концептуально новый подход к вопросу разработки такого транзистора, сделав его прототип всего из одной кремниевой наночастицы.
Ученые обнаружили, что могут радикально менять свойства кремниевых наночастиц, облучая их интенсивными сверхкороткими импульсами лазера. Под воздействием излучения внутри частицы формируется плотная и быстро релаксирующая электронно-дырочная плазма, наличие которой сильно меняет диэлектрическую проницаемость кремния на несколько пикосекунд.
Это резкое изменение в структуре наночастицы, вызываемое лазерным импульсом, приводит к возможности управлять направленностью рассеянного частицей падающего света. Так, в зависимости от мощности управляющего лазерного импульса наночастица может перестать рассевать свет назад и начать рассеивать его вперед.
«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, – рассказывает первый автор статьи и старший научный сотрудник лаборатории 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».
Выбор кремния в качестве материала для транзистора не был случайным. Реализация оптического транзистора требует использования недорогих материалов, подходящих для массового производства и способных за несколько пикосекунд (в режиме плотной электронно-дырочной плазмы) менять свои оптические свойства и при этом почти не нагреваться.
«Время переключения между режимами работы нашей наночастицы составляет всего несколько пикосекунд, а приводим в рабочий режим мы ее за десятки фемтосекунд (10?15 секунды). Сейчас у нас на руках уже есть предварительные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что частица сможет успешно играть роль оптического транзистора.
Теперь в наших планах провести эксперименты, где наряду с управляющим лазерным лучом будет и полезный сигнальный луч», – подводит итог соавтор статьи, заведующий лабораторией «Нанофотоники и метаматериалов» Павел Белов.
Источник: ifmo.ru
