Энергия без электричества: в ИТМО разработали наноустройство для оптического компьютера
Физики ИТМО и Академического университета им. Ж.И. Алферова разработали устройство, которое может применяться как транзистор для оптического компьютера. Разработка позволяет без использования электрических проводников создавать электрическое поле в наноструктуре. Ученые смогли не только теоретически описать этот процесс, но и экспериментально продемонстрировать его в наноантенне. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Транзисторы, крошечные полупроводниковые приборы, которые нужны для управления электронным потоком, содержащим в себе информацию, каждый год становятся все меньше и энергоэффективнее. Во многом именно от них зависит мощность и скорость работы любой техники, в том числе компьютеров и смартфонов. Однако ученые и инженеры почти достигли фундаментальных пределов по их улучшению. Увеличить производительность устройств можно с помощью перехода от электронов к частицам света (фотонам). Фотоны — идеальный инструмент для передачи информации: свет может переноситься на десятки и сотни километров практически без затухания и искажений. Поэтому создание оптического компьютера — это уже давно не просто научный интерес, а необходимость.
«Для разработки оптического компьютера нужно заменить каждую часть обычного ПК на оптический аналог. Мы смогли сделать в некотором смысле строительный кирпичик будущего оптического чипа — наноструктуру, которая может использоваться как конденсатор или даже транзистор. С ее помощью можно в том числе управлять потоком фотонов: например, менять интенсивность или направление излучения. Также в нашей наноструктуре удалось сгенерировать постоянное электрическое поле — причем только за счет света, без использования электродов или дополнительных электрических систем», — рассказывает Яли Сунь, первый автор статьи, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Миниатюризация — это еще одна из задач, которую старались решить ученые: чем меньше структура, тем больше потенциальных транзисторов можно поместить на единице площади, то есть тем мощнее будет готовое устройство. Наличие оптических резонансных свойств и объединение двух материалов в единой наносистеме позволили ученым создать в ней статическое электрическое поле под действием лазерного излучения и таким образом обойтись без электродов. Ранее этот эффект удавалось продемонстрировать только в громоздких системах — например, в объемном кремнии.
«По форме наша наноструктура напоминает шахматную пешку — сферу, погруженную в усеченный конус. Наши исследования на наноструктурах с разной геометрией показали, что именно такая форма лучше всего подходит для генерации электрического поля. Наноструктура включает в себя материалы, которые широко применяются в микроэлектронике — кремний и золото. Как она работает: мы светим на нее лазером и формируем электрическое поле в полупроводнике, которое изменяет оптический отклик наносистемы. То есть выходным излучением такой наноструктуры можно управлять за счет света. Это важно для фотон-фотонного взаимодействия. Результаты помогут в создании оптических компьютеров, где все процессы будут выполняться только за счет фотонов», — поясняет Артем Ларин, соавтор проекта, инженер физического факультета ИТМО.
По словам Дмитрия Зуева, научного руководителя проекта, старшего научного сотрудника физического факультета ИТМО, самым сложным в исследовании было описать экспериментальные результаты теоретическими расчетами, так как теория объясняет идеальный случай без учета множества факторов. Дальше физики планируют провести эксперименты с другими геометриями, чтобы упростить технологию создания таких наносистем.