Рубрики 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 Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Академического университета РАН 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.
Схематическое изображение переключения режимов рассеяния в зависимости от интенсивности лазерного импульса падающего на наночастицу кремния. (а) слабый и (b) интенсивный фемтосекундный лазерный импульс.
Иллюстрация резонансного поведения наночастиц. Экспериментальные (точки) и теоретические (сплошные линии) зависимости отражения от плотности потока лазерного излучения для пленки кремния толщиной 220 нм (черный цвет), резонансных по размеру наночастиц
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.