Silicon nanopartikel kan føre til en ultrahurtig altoptisk transistor

Fysikere fra Institut for Nanofotonik og Metamaterialer ved ITMO University har eksperimentelt demonstreret muligheden for at designe en optisk analog af en transistor baseret på en enkelt siliciumnanopartikel. Fordi transistorer er nogle af de mest grundlæggende komponenter i computerkredsløb, resultaterne af undersøgelsen har afgørende betydning for udviklingen af ​​optiske computere, hvor transistorer skal være meget små og ultrahurtige på samme tid. Undersøgelsen blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nano bogstaver .

Ydelsen af ​​moderne computere, som bruger elektroner som signalbærere, er stort set begrænset af den tid, der er nødvendig til at udløse transistoren - normalt omkring 0,1 til et nanosekund (1/1.000.000.000 sekund). Næste generations optiske computere, imidlertid, stole på fotoner til at bære det nyttige signal, hvilket kraftigt øger mængden af ​​information, der passerer gennem transistoren pr. sekund. Af denne grund, oprettelsen af ​​en ultrahurtig og kompakt heloptisk transistor anses for at være medvirkende til udviklingen af ​​optisk computing. En sådan nanodeenhed ville gøre det muligt for forskere at kontrollere udbredelsen af ​​en optisk signalstråle ved hjælp af en ekstern kontrolstråle inden for flere picosekunder.

I undersøgelsen, en gruppe russiske forskere fra ITMO University, Lebedev Physical Institute og Academic University i Sankt Petersborg tog en helt ny tilgang til at designe sådanne optiske transistorer, have lavet en prototype ved hjælp af kun en silicium -nanopartikel.

Forskerne fandt ud af, at de dramatisk kunne ændre egenskaberne af en silicium -nanopartikel ved at bestråle den med en intens og ultrakort laserpuls. Laseren fungerer således som en kontrolstråle, tilvejebringelse af ultrahurtig fotoekscitation af tæt og hurtigt rekombineret elektronhulplasma, hvis tilstedeværelse ændrer den dielektriske permittivitet af silicium i et par picosekunder. Denne pludselige ændring i nanopartiklens optiske egenskaber åbner muligheden for at styre retningen, i hvilket indfaldende lys spredes. For eksempel, retningen af ​​spredning af nanopartikler kan ændres fra bagud til fremad på tidsskala for picosekunder, afhængig af intensiteten af ​​hændelseskontrol laserpulsen. Dette koncept med ultrahurtig omskiftning er meget lovende til design af en helt optisk transistor.

"Generelt, forskere på dette område er fokuseret på at designe nanoskala alle-optiske transistorer ved hjælp af kontrol af absorptionen af ​​nanopartikler, hvilken, i det væsentlige, er helt logisk. I tilstand med høj absorption, lyssignalet absorberes af nanopartiklen og kan ikke passere igennem, mens lyset uden for denne tilstand får lov til at sprede sig forbi nanopartiklen. Imidlertid, denne metode gav ingen afgørende resultater, "forklarer Sergey Makarov, hovedforfatter af undersøgelsen og seniorforsker ved Institut for Nanofotonik og Metamaterialer. "Vores idé er anderledes i den forstand, at vi ikke styrer nanopartiklens absorptionsegenskaber, men snarere dens spredningsdiagram. Lad os sige, at nanopartiklen normalt spreder næsten alt indfaldende lys i baglæns retning, men når vi bestråler det med en kontrolpuls, det bliver omkonfigureret og begynder at sprede lys fremad. "

Valget af silicium som materiale til den optiske transistor var ikke tilfældigt. Oprettelse af en optisk transistor kræver brug af billige materialer, der er egnede til masseproduktion og i stand til at ændre deres optiske egenskaber i flere picosekunder (i regimet med tæt elektronhulplasma) uden at blive overophedet på samme tid.

"Den tid, det tager os at deaktivere vores nanopartikel, udgør kun flere picosekunder, mens for at aktivere det behøver vi ikke mere end snesevis af femtosekunder. Nu har vi allerede eksperimentelle data, der tydeligt indikerer, at en enkelt silicium-nanopartikel faktisk kan spille rollen som en altoptisk transistor. I øjeblikket planlægger vi at gennemføre nye eksperimenter, hvor, sammen med en laser kontrolstråle, vi introducerer en nyttig signalstråle ", slutter Pavel Belov, medforfatter af papiret og leder af Institut for Nanofotonik og Metamaterialer.