Шаг к супербыстрым компьютерам: разработана платформа для оптического транзистора

Управляемое движение электронов, благодаря которому работают все современные транзисторы, имеет существенные недостатки. Среди них — так называемый паразитный нагрев (расход энергии не по назначению в результате нагрева самого устройства) и ограничение скорости электронных устройств. Для решения первой проблемы приборы оснащают вентиляторами, но на их работу тратится еще больше энергии.

С другой стороны, электроны можно заменить на фотоны (квант электромагнитной или световой энергии). Созданные таким образом устройства будут энергоэффективнее и быстрее. Но сложность состоит в том, что частицы света не вступают с друг другом во взаимодействие, как электроны. Из-за этого транзистор, работающий исключительно на фотонах, создать невозможно.

Ученые-микроэлектроники, которые занимаются вопросом создания оптических суперкомпьютеров, ищут разные способы «обучения» фотонов взаимодействию. Один из вариантов — связать их с другими частицами. Успешно реализовать идею удалось российским физикам совместно с исследователями из Шеффилда, которые в рамках эксперимента добились взаимодействия фотонов с экситонами в однослойных полупроводниках. Статью о разработке опубликовали в «Light: Science & Applications».

При возбуждении электрона образуется квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках (физики называют это дыркой). Она способна взаимодействовать с электроном, в результате чего образуется экситон, имеющий как положительный, так и отрицательный заряд. 

Экспериментальные структуры. Изображение: ИТМО

При взаимодействии экситона с фотонами образуется поляритон, который будет не только быстро передавать информацию, но и успешно связываться с остальными частицами. Создание транзисторов на основе поляритонов решило бы все проблемы. Но для того, чтобы они существовали достаточно долго и сохраняли высокую нелинейность, необходима специальная платформа.

Российские ученые решили эти проблемы следующим образом: на оптический волновод с тончайшими бороздками поместили полупроводник толщиной в три атома. Затем на систему воздействовали красным лазером, благодаря чему возникли экситоны, а затем и поляритоны при взаимодействии с частицами света. При этом поляритоны как бы «запутывались» в бороздках волновода, которые выполняли роль ловушки для света. За счет этого полученные частицы существуют достаточно долго и показывают высокую нелинейность, т.е. могут активно взаимодействовать.

Лаборатория ИТМО, в которой проводились эксперименты. Изображение: ИТМО

Разработанную систему можно установить на чип толщиной менее 100 нм. Правда, до создания самого чипа еще далеко. Эксперимент проводили при очень низких температурах (-120 °C), так что систему еще предстоит опробовать в условиях комнатной температуры, а также найти способ сделать «жизнь» поляритонов на платформе еще дольше.