Optiska omkopplare gör det möjligt att överföra information med hjälp av ljus, vilket kommer att vara användbart för utvecklingen av ultrasnabba optiska minnesceller i framtiden. Med hjälp av en femtosekundlaser som vanligtvis används inom kemi för gasabsorption, ITMO Universitys forskare har visat hur man skapar en helt optisk switch baserad på ett metallorganiskt ramverk som kan syntetiseras in vitro. Forskningen har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie .

Nuvarande enheter överför information baserad på elektronernas rörelse. Det förväntas att datorelement som arbetar på fotoner kommer att fungera snabbare, mer effektivt, och förbrukar mindre energi. Men för att förverkliga optisk beräkning, det är nödvändigt att lösa ett antal teoretiska och tekniska problem. En av dem är att uppnå tillförlitlighet, energieffektiv och billig ljusstyrning.

"All dagens digitala elektronik är byggd på så kallade triggers, " förklarar Nikita Kulachenkov, en junior forskarassistent vid ITMO University och en av tidningens författare. "Det här är enheter för att växla mellan två tillstånd, noll och ett. För optiska enheter som i framtiden kan ersätta våra elektroniska enheter, vi behöver också en speciell strömbrytare."

Ett av alternativen för en sådan switch kommer i form av metallorganiska ramverk (MOF). Detta är en klass av funktionella material som kombinerar egenskaperna hos kristallgitterämnen och organiska föreningar. Men i syfte att utveckla optiska datorenheter, den viktigaste aspekten är att vissa MOF innehåller speciella fotokroma föreningar som kan ändra sina optiska egenskaper när de utsätts för ljus. Denna process, dock, sker vanligtvis under en relativt lång tidsperiod, från flera minuter till flera dagar, vilket sätter betydande begränsningar för den praktiska tillämpningen av sådana strukturer som switchers.

En grupp forskare från ITMO-universitetets rysk-franska laboratorium, ledd av Valentin Milichko, tog en annan väg – forskarna använde standardmetall-organiska ramverk som inte innehåller några fotokroma föreningar och som har använts i den kemiska industrin under lång tid. "Vi bestämde oss för att använda en grupp MOFs som visar egenskapen att förändra sin struktur under yttre stimuli som tryck, temperatur och andra, " säger Nikita Kulachenkov. "Bland dessa metallorganiska ramverk var HKUST-1. Det var mycket väl undersökt inom området gasabsorption, men ingen kunde någonsin ha trott att dess egenskaper, och följaktligen, dess struktur, kan genomgå betydande förändringar när de utsätts för ljus."

Experiment med HKUST-1 metallorganiska ramverk har visat att när de utsätts för en ultrakort puls av en infraröd laser, denna MOF börjar plötsligt sända mindre ljus. "Antalet fotoner som passerar genom MOF minskade med cirka 100 gånger, " förklarar Nikita Kulachenkov. "Omställningsperioden uppgick till flera dussin millisekunder. Detta är två till tre beställningar bättre än vad som erbjuds av befintliga MOF-baserade organiska system."

Forskarna fann att femtosekundseffekten som genereras av den infraröda lasern är, i själva verket, tillräckligt för att avdunsta vattnet från det metallorganiska ramverket. MOF blir mindre transparent för det laserutsända ljuset. Men när ljuset släcks, stommen återabsorberar vattenmolekyler från luften och återgår till sitt ursprungliga tillstånd.