Forskere demonstrerer den første kemisk syntetiserede optiske switch

Optiske kontakter gør det muligt at overføre information ved hjælp af lys, hvilket vil være nyttigt til udviklingen af ​​ultrahurtige optiske hukommelsesceller i fremtiden. Ved at bruge en femtosekundlaser, der normalt bruges i kemi til gasabsorption, ITMO University videnskabsmænd har demonstreret, hvordan man skaber en helt optisk switch baseret på en metal-organisk ramme, der kan syntetiseres in vitro. Forskningen er blevet publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Nuværende enheder transmitterer information baseret på elektronernes bevægelse. Det forventes, at computerelementer, der opererer på fotoner, vil arbejde hurtigere, mere effektivt, og bruger mindre energi. Men for at realisere optisk databehandling, det er nødvendigt at løse en række teoretiske og tekniske problemer. En af dem er at opnå pålidelige, energieffektiv og billig lysstyring.

"Al nutidens digitale elektronik er bygget på såkaldte triggere, " forklarer Nikita Kulachenkov, en juniorforsker ved ITMO University og en af ​​artiklens forfattere. "Dette er enheder til at skifte mellem to tilstande, nul og en. For optiske enheder, som i fremtiden kan træde i stedet for vores elektroniske enheder, vi har også brug for en speciel kontakt."

En af mulighederne for en sådan switch kommer i form af metal-organiske rammer (MOF'er). Dette er en klasse af funktionelle materialer, der kombinerer egenskaberne af krystalgitterstoffer og organiske forbindelser. Men med det formål at udvikle optiske computerenheder, det vigtigste aspekt er, at nogle MOF'er indeholder specielle fotokrome forbindelser, der er i stand til at ændre deres optiske egenskaber, når de udsættes for lys. denne proces, imidlertid, foregår normalt over en forholdsvis lang periode, fra flere minutter til flere dage, hvilket sætter betydelige begrænsninger på den praktiske anvendelse af sådanne strukturer som switchere.

En gruppe videnskabsmænd fra ITMO Universitetets russisk-franske laboratorium, ledet af Valentin Milichko, tog en anden vej - forskerne brugte standard metal-organiske rammer, der ikke indeholder nogen fotokrome forbindelser og har været brugt i den kemiske industri i lang tid. "Vi besluttede at bruge en gruppe MOF'er, der demonstrerer egenskaben ved at ændre deres struktur under eksterne stimuli såsom tryk, temperatur og andre, " siger Nikita Kulachenkov. "Blandt disse metal-organiske rammer var HKUST-1. Det var meget velundersøgt inden for gasabsorption, men ingen kunne nogensinde have troet, at dens egenskaber, og følgelig dens struktur, kan undergå væsentlige ændringer, når de udsættes for lys."

Eksperimenter med HKUST-1 metal-organiske rammer har vist, at når de udsættes for en ultrakort puls fra en infrarød laser, denne MOF begynder pludselig at transmittere mindre lys. "Antallet af fotoner, der passerer gennem MOF faldt med omkring 100 gange, " forklarer Nikita Kulachenkov. "Overgangsperioden beløb sig til flere dusin millisekunder. Dette er to til tre ordrer bedre end de eksisterende MOF-baserede organiske systemer tilbyder."

Forskerne fandt ud af, at femtosekund-påvirkningen genereret af den infrarøde laser er, træde i kræft, nok til at fordampe vandet fra den metalorganiske ramme. MOF'en bliver mindre gennemsigtig for det laserudsendte lys. Men når lyset er slukket, rammen reabsorberer vandmolekyler fra luften og vender tilbage til sin oprindelige tilstand.