Ledande forskargrupper inom nanofotonik arbetar för att utveckla optiska transistorer - nyckelkomponenter för framtida optiska datorer. Dessa enheter kommer att behandla information med fotoner istället för elektroner, vilket minskar värmen och ökar driftshastigheten. Dock, fotoner interagerar inte bra med varandra, vilket skapar ett stort problem för ingenjörer inom mikroelektronik. En grupp forskare från ITMO University, tillsammans med kollegor, har kommit fram till en ny lösning på detta problem genom att skapa ett plant system där fotoner kopplas till andra partiklar, vilket gör att de kan interagera med varandra. Principen som demonstrerades i deras experiment kan ge en plattform för utveckling av framtida optiska transistorer. Resultaten av deras arbete publiceras i Ljus:Vetenskap och applikationer .

Transistorer fungerar tack vare elektronernas kontrollerade rörelse. Denna metod har använts i decennier, men det har flera nackdelar. Först, elektroniska enheter tenderar att värmas upp när de utför en uppgift, vilket innebär att en del av energin slösas bort som värme och inte används för egentligt arbete. För att styra uppvärmning, enheter är utrustade med cooing -element, så slösar jag ännu mer energi. Andra, elektroniska enheter har en begränsad bearbetningshastighet. Några av dessa problem kan lösas genom att använda fotoner istället för elektroner. Enheter som använder fotoner för informationskodning skulle producera mindre värme, kräver mindre energi, och arbeta snabbare.

Således, forskare över hela världen bedriver forskning inom optiska datorer. Dock, huvudproblemet är att fotoner, till skillnad från elektroner, inte interagera med varandra. Så forskare har föreslagit metoder för att "träna" fotoner att interagera med varandra. En idé är att koppla fotoner med andra partiklar. En grupp forskare från ITMO:s institution för fysik och teknik, tillsammans med kollegor, har visat en ny implementering där fotoner kopplas till excitoner i enskikts halvledare. Excitoner bildas i halvledare när elektroner exciteras, lämnar efter sig tomma valensbindningar (eller elektronhål, som fysiker kallar dem). Både elektronen och dess hål kan interagera med varandra, skapa en ny partikel - en exciton, som i sin tur kan interagera med andra excitoner.

"Om vi ​​starkt kopplar excitoner till ljuspartiklar, vi kommer att få polaritoner, "förklarar Vasily Kravtsov, en ledande forskare vid ITMO University och en av uppsatsens medförfattare. "Dessa är delvis lätta, vilket innebär att de kan användas för att överföra information mycket snabbt; men samtidigt, de kan interagera med varandra mycket bra. "

Att skapa en polaritonbaserad transistor är inte enkelt. Forskare måste utforma ett system där dessa partiklar kan existera tillräckligt länge och samtidigt behålla sin höga interaktionsstyrka. I laboratorierna vid ITMO:s institution för fysik och teknik, polaritoner skapas med hjälp av en laser, en vågledare och ett extremt tunt molybden -diselenid halvledarskikt. Ett tre-atom-tjockt halvledarskikt placeras på en nanofoton vågledare med ett exakt nät av mycket fina spår graverade på dess yta. Efter det, den lyser upp med en röd laser för att skapa excitoner i halvledaren. Dessa excitoner kopplar ihop med ljuspartiklar, skapa polaritoner, som är instängda i systemet.

Polaritoner som erhållits på detta sätt finns inte bara under relativt långa tidsperioder, men har också extra hög olinearitet, vilket innebär att de aktivt interagerar med varandra.

"Det för oss närmare att skapa en optisk transistor, eftersom vi nu har en plan plattform som är mindre än 100 nanometer tjock, som kan integreras på ett chip. Eftersom olineariteten är ganska hög, vi skulle inte behöva en kraftfull laser - en liten röd ljuskälla kommer att räcka, som också kan integreras på chipet, säger Vasily Kravtsov.

Just nu, studien fortsätter, eftersom forskarna måste visa effektiviteten i sitt system vid rumstemperatur.