Ученые Университета ИТМО на пути к созданию сверхбыстрого оптического транзистора на основе одной наночастицы

Ученым из лаборатории нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО впервые удалось экспериментально продемонстрировать возможность создания сверхбыстрого оптического транзистора всего лишь из одной кремниевой наночастицы. Результаты работы в дальнейшем могут быть использованы при разработке оптических компьютеров, где транзисторы должны обладать способностью сверхбыстрого переключения и повышенной компактностью.

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. Результаты своей работы ученые опубликовали в престижном научном журнале Nano Letters.

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, выполняя таким образом функцию оптического переключателя.

«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 Университета ИТМО Павел Белов.

Стандартный полупроводниковый транзистор является одним из основных строительных блоков современных электронных устройств. Именно разработка транзистора в 1947 году ознаменовала начало цифровой революции, заменив громоздкие и малоэффективные вакуумные трубки в телевизорах, радио и других устройствах. Изобретатели первого полупроводникового транзистора Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были вознаграждены за свою работу Нобелевской премией 1956 года. Ценность транзисторов обуславливается их способностью усиливать и переключать сигналы в электронных схемах, а также формировать логические вентили. Сверхбыстрый наноразмерный оптический транзистор способен дать аналогичный толчок развитию устройств на основе оптической передачи сигнала.

Напомним, что сотрудники лаборатории нанофотоники и метаматериалов Александр Краснок и Павел Белов, принявшие участие в этом исследовании, недавно выступили с опровержением открытия британских ученых из Кембриджского университета, заявивших, что им удалось найти недостающее звено в теории электромагнетизма. 

Статья:

Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron-Hole Plasma

DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02534

 

Дмитрий Мальков,
Отдел по научным коммуникациям Университета ИТМО

Архив по годам: