Forskere demonstrerer en platform for fremtidige optiske transistorer

Førende forskergrupper inden for nanofotonik arbejder på at udvikle optiske transistorer - nøglekomponenter til fremtidige optiske computere. Disse enheder vil behandle information med fotoner i stedet for elektroner, dermed reducere varmen og øge driftshastigheden. Imidlertid, fotoner interagerer ikke godt med hinanden, hvilket skaber et stort problem for mikroelektronikingeniører. En gruppe forskere fra ITMO University, sammen med kolleger, har fundet en ny løsning på dette problem ved at skabe et plant system, hvor fotoner kobler til andre partikler, som gør dem i stand til at interagere med hinanden. Princippet demonstreret i deres eksperiment kan give en platform for udvikling af fremtidige optiske transistorer. Resultaterne af deres arbejde offentliggøres i Lys:Videnskab og applikationer .

Transistorer fungerer takket være elektronernes kontrollerede bevægelse. Denne tilgang har været brugt i årtier, men det har flere ulemper. Først, elektroniske enheder har en tendens til at blive varme, når de udfører en opgave, hvilket betyder, at en del af energien går til spilde som varme og ikke bruges til egentligt arbejde. For at styre opvarmningen, enheder er udstyret med kogende elementer, dermed spilder endnu mere energi. Sekund, elektroniske enheder har en begrænset behandlingshastighed. Nogle af disse problemer kan løses ved at bruge fotoner i stedet for elektroner. Enheder, der bruger fotoner til informationskodning, ville producere mindre varme, kræver mindre energi, og arbejde hurtigere.

Dermed, videnskabsmænd over hele verden forsker inden for optiske computere. Imidlertid, hovedproblemet er, at fotoner, i modsætning til elektroner, ikke interagerer med hinanden. Så forskere har foreslået metoder til at "træne" fotoner til at interagere med hinanden. En idé er at koble fotoner med andre partikler. En gruppe forskere fra ITMO's Institut for Fysik og Teknik, sammen med kolleger, har demonstreret en ny implementering, hvor fotoner kobles til excitoner i enkeltlags halvledere. Excitoner dannes i halvledere, når elektroner exciteres, efterlader tomme valensbindinger (eller elektronhuller, som fysikere kalder dem). Både elektronen og dens hul kan interagere med hinanden, skabe en ny partikel - en exciton, som igen kan interagere med andre excitoner.

"Hvis vi stærkt kobler excitoner til lette partikler, vi får polaritoner, " forklarer Vasily Kravtsov, en førende forskningsstipendiat ved ITMO University og en af ​​artiklens medforfattere. "Disse er delvist lette, hvilket betyder, at de kan bruges til at overføre information meget hurtigt; men samtidig, de kan interagere med hinanden meget godt."

At skabe en polariton-baseret transistor er ikke ligetil. Forskere skal designe et system, hvori disse partikler kan eksistere længe nok, mens de stadig bevarer deres høje interaktionsstyrke. I laboratorierne på ITMO's Institut for Fysik og Teknik, polaritoner skabes ved hjælp af en laser, en bølgeleder og et ekstremt tyndt molybdændiselenid-halvlederlag. Et tre-atom-tykt halvlederlag er placeret på en nanofotonisk bølgeleder med et præcist net af meget fine riller indgraveret på overfladen. Efter det, den lyses op med en rød laser for at skabe excitoner i halvlederen. Disse excitoner kobles sammen med lette partikler, skabe polaritoner, som er fanget i systemet.

Polaritoner opnået på denne måde eksisterer ikke kun i relativt lange perioder, men har også ekstra høj ikke-linearitet, betyder, at de aktivt interagerer med hinanden.

"Det bringer os tættere på at skabe en optisk transistor, da vi nu har en plan platform, der er mindre end 100 nanometer tyk, som kunne integreres på en chip. Da ikke-lineariteten er ret høj, vi ville ikke have brug for en kraftig laser - en lille rød lyskilde vil være tilstrækkelig, som også kunne integreres på chippen, " siger Vasily Kravtsov.

I øjeblikket, undersøgelsen fortsætter, da forskerne skal demonstrere effektiviteten af ​​deres system ved stuetemperatur.