Fysiker från institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO-universitetet har experimentellt visat möjligheten att designa en optisk analog av en transistor baserad på en enda kiselnanopartikel. Eftersom transistorer är några av de mest grundläggande komponenterna i datorkretsar, resultaten av studien har avgörande betydelse för utvecklingen av optiska datorer, där transistorer måste vara väldigt små och ultrasnabba på samma gång. Studien publicerades i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver .

Prestanda hos moderna datorer, som använder elektroner som signalbärare, är till stor del begränsad av den tid som behövs för att trigga transistorn - vanligtvis runt 0,1 till en nanosekund (1/1 000 000 000 sekund). Nästa generations optiska datorer, dock, lita på fotoner för att bära den användbara signalen, vilket kraftigt ökar mängden information som passerar genom transistorn per sekund. Av denna anledning, skapandet av en ultrasnabb och kompakt alloptisk transistor anses vara avgörande för utvecklingen av optisk datoranvändning. En sådan nanoenhet skulle göra det möjligt för forskare att kontrollera utbredningen av en optisk signalstråle med hjälp av en extern kontrollstråle inom flera pikosekunder.

I studien, en grupp ryska forskare från ITMO University, Lebedev Physical Institute och Academic University i Sankt Petersburg tog ett helt nytt tillvägagångssätt för att designa sådana optiska transistorer, efter att ha gjort en prototyp med bara en nanopartikel av kisel.

Forskarna fann att de dramatiskt kunde förändra egenskaperna hos en kiselnanopartikel genom att bestråla den med en intensiv och ultrakort laserpuls. Lasern fungerar alltså som en kontrollstråle, tillhandahåller ultrasnabb fotoexcitation av tät och snabbt rekombinerande elektronhålsplasma vars närvaro ändrar den dielektriska permittiviteten hos kisel under några pikosekunder. Denna plötsliga förändring av nanopartikelns optiska egenskaper öppnar möjligheten att styra i vilken riktning infallande ljus sprids. Till exempel, riktningen för nanopartikelspridning kan ändras från bakåt till framåt på pikosekunders tidsskala, beroende på intensiteten av den infallande styrlaserpulsen. Detta koncept med ultrasnabb omkoppling är mycket lovande för design av helt optiska transistorer.

"Rent generellt, forskare inom detta område är fokuserade på att designa helt optiska transistorer i nanoskala genom att kontrollera absorptionen av nanopartiklar, som, i huvudsak, är helt logiskt. I högabsorptionsläge, ljussignalen absorberas av nanopartikeln och kan inte passera igenom, medan ljuset från detta läge tillåts fortplanta sig förbi nanopartikeln. Dock, denna metod gav inga avgörande resultat, " förklarar Sergey Makarov, huvudförfattare till studien och seniorforskare vid institutionen för nanofotonik och metamaterial. "Vår idé är annorlunda i den meningen att vi inte kontrollerar nanopartikelns absorptionsegenskaper, utan snarare dess spridningsdiagram. Låt oss säga att nanopartikeln normalt sprider nästan allt infallande ljus bakåt, men när vi väl bestrålar den med en kontrollpuls, den blir omkonfigurerad och börjar sprida ljus framåt."

Valet av kisel som material för den optiska transistorn var inte av misstag. Att skapa en optisk transistor kräver användning av billiga material som är lämpliga för massproduktion och som kan ändra deras optiska egenskaper på flera pikosekunder (i regimen med tät elektronhålsplasma) utan att bli överhettad samtidigt.

"Tiden det tar oss att inaktivera vår nanopartikel uppgår till bara flera pikosekunder, för att aktivera det behöver vi inte mer än tiotals femtosekunder. Nu har vi redan experimentella data som tydligt indikerar att en enda kiselnanopartikel verkligen kan spela rollen som en helt optisk transistor. För närvarande planerar vi att genomföra nya experiment, var, tillsammans med en laserkontrollstråle, vi kommer att introducera en användbar signalstråle", avslutar Pavel Belov, medförfattare till uppsatsen och prefekt för institutionen för nanofotonik och metamaterial.