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.
Ученые предложили платформу для создания оптического транзистора
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.