Forskere finder materiale ultra-følsomt over for lys til brug i optiske computere

ITMO-forskere har opdaget et materiale, der er ultra-følsomt over for lys. I øvrigt, de var i stand til at identificere en parameter, der vil hjælpe med at finde andre strukturer med høje brydningskoefficienter. Denne opdagelse vil bringe os et skridt tættere på at udvikle kompakte og effektive elementer til optiske computere – lasere, chips, og sensorer. Forskningen er publiceret i Nanofotonik .

Hvert år, der er en stigende efterspørgsel efter mere kraftfulde og avancerede computere. Problemet med konventionelle, selvom, ligger i de elektroner, der spiller en stor rolle i dem. I enhver struktur, hvor der løber en elektrisk strøm igennem, der er risiko for overophedning, hvilket skaber fundamentale begrænsninger for minimumsstørrelsen af ​​beregningselementer. En løsning på dette problem ligger i optiske computere, der vil behandle information transmitteret ved bevægelse af fotoner, der ikke opvarmes, i modsætning til elektroner.

"Vi vil snart nå grænsen, når enhver yderligere modernisering af elektronbaserede maskiner ikke giver mulighed for den nødvendige effektivitetsforøgelse. For at begynde at bruge optiske computere, vi skal skabe chips og lasere af sammenlignelig størrelse. Vi har brug for materialer med høje brydningskoefficienter for at udvikle optiske elementer i nanoskala. Brydningskoefficienten fortæller os, hvor godt en struktur reagerer på lys. Hvis dens interaktion med lys er dårlig, så vil enheden fungere i overensstemmelse hermed, " udtaler Anton Shubnic, en studerende ved ITMOs Fakultet for Fysik og Teknik.

Der er ikke mange materialer, der er meget lysfølsomme. En af dem er silicium (Si), med en brydningskoefficient på 4. Der er ingen kendte materialer med en højere brydningskoefficient i det synlige område. I øvrigt, forskerne indrømmer, det er ikke helt klart, hvor man kunne lede efter dem. Efter omfattende matematiske beregninger, ITMO University fysikere var i stand til at identificere en parameter, der kunne pege på, hvor hurtigt lyset ville passere gennem en halvleder før fysiske eksperimenter eller kompleks beregningsmodellering. Denne parameter afhænger af et materiales elektroniske egenskaber:dets båndgab og den effektive masse af en elektron.

"Vi fokuserede vores opmærksomhed på halvledere. Disse materialer har båndhuller, kendt for de fleste af dem og hyppigt brugt. I optik, båndgabet bestemmer den maksimale bølgelængde, ved hvilken et materiale forbliver gennemsigtigt. Den anden parameter er elektronens effektive masse. Når man interagerer med andre partikler i et materiale, elektroner ville fungere som partikler med en anden masse end den, de oprindeligt har, " forklarer Ivan Iorsh, leder af ITMO University's International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems.

Båndgabet er et energiområde, som elektroner ikke kan have i et bestemt materiale. Hvis en fotons energi er mindre end båndgabet, så kan lyset spredes i materialet, og hvis energien er mere - så vil lyset blive absorberet. I optik, båndgabet bestemmer den maksimale bølgelængde, ved hvilken et materiale forbliver gennemsigtigt. Denne parameter er kendt for mange materialer og bruges aktivt. Den anden parameter er elektronens effektive masse. Når man interagerer med andre partikler i et materiale, elektroner ville virke, som om de har en anden masse end den, de oprindeligt har. Og denne nye masse er kendt som effektiv masse.

Den teoretiske model viste, at jo højere forholdet er mellem disse to parametre, jo højere brydningskoefficienten skal være. Først, forskerne testede deres hypotese på kendte materialer som silicium og vendte sig derefter til dem, der var mindre undersøgte. Som resultat, de opdagede rheniumdiselenid (ReSe ₂ ), et meget lovende materiale til optiske elementer. Det viste sig, at ReSe ₂ har en brydningskoefficient på 6,5 til 7 i det synlige område, hvilket er væsentligt højere end for silicium.

Nu, forskerne planlægger at iværksætte en global søgning gennem åbne databaser af materialers elektroniske egenskaber for at finde andre stoffer med høj brydningskoefficient, tidligere ignoreret af optikspecialister.