Ученые предложили платформу для создания оптического транзистора

Широко известно, что транзисторы, без которых невозможно представить себе современную человеческую цивилизацию, работают за счет управляемого движения по ним электронов. Этот метод использовался десятилетиями, однако у него есть ряд недостатков: во-первых, электроника греется при работе, и часть энергии тратится не на полезную работу, а на паразитный нагрев. Для борьбы с этим нагревом приходится оснащать устройства вентиляторами, то есть тратить еще больше энергии. Во-вторых, скорость электронных устройств имеет свои ограничения. Часть этих проблем можно решить, если использовать вместо электронов частицы света – фотоны. Устройства, в которых для кодировки информации можно будет использовать свет, будут меньше греться, потреблять меньше энергии и при этом работать быстрее.

Именно поэтому проблемой создания оптических компьютеров занимаются сейчас по всему миру. Однако проблема заключается в том, что фотоны, в отличие от электронов, друг с другом не взаимодействуют. Ученые со всего мира по-разному предлагают «обучать» фотоны взаимодействовать друг с другом. Один из таких способов – связать фотоны с другими частицами. Группа ученых, среди которых сотрудники Нового Физтеха Университета ИТМО, предложили новую эффективную реализацию, где фотоны связываются с экситонами в однослойных полупроводниках. Экситоны возникают, когда электрон, возбужденный внешним воздействием, оставляет за собой незаполненную валентную связь, которую физики называют дыркой. При этом электрон и дырка могут связываться между собой, образуя новую частицу – экситон, которая может взаимодействовать с такими же частицами.

«Если экситон связать с частицами света, то получим поляритон, – рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Василий Кравцов, соавтор работы, – эта частица будет отчасти светом, с ее помощью можно будет быстро передавать информацию, и в то же время она будет в состоянии взаимодействовать с другими такими же частицами».  

Казалось бы, поляритоны решают проблему: нужно просто создать транзистор на их основе. Однако все не так просто – необходимо создать систему, в которой такие частицы существовали бы достаточно долго и при этом имели бы высокие показатели взаимодействия. В лабораториях Нового Физтеха Университета ИТМО поляритоны получают с помощью лазера, волновода и тончайшего слоя полупроводника. Пластинку полупроводника толщиной всего в три атома кладут на волновод, созданный из оптического материала, на поверхности которого вырезана особым образом сетка из тончайших канавок. После этого на эту систему светит красный лазер, который создает в полупроводнике экситоны, которые в свою очередь связываются с частицами света, образуя поляритоны.

Получившиеся поляритоны не только существуют сравнительно долго, но и имеют высокие показатели нелинейности, то есть активно взаимодействуют друг с другом. «Это приближает нас на шаг к созданию оптического транзистора – у нас есть планарная платформа, которую можно интегрировать в чип, толщиной меньше 100 нанометров. Поскольку показатели взаимодействия частиц большие, то нам не нужно устанавливать мощный лазер, достаточно небольшого источника красного света, который также можно интегрировать на чипе», – рассказывает Кравцов.

Статья опубликована в журнале Light: Science & Applications. В настоящее время ученые продолжают опыты. Сейчас перед ними стоит задача показать, что система работает при комнатной температуре. Материал предоставлен пресс-службой Университета ИТМО.