Ученые из ИТМО разработали сверхкомпактный оптический переключатель на основе экситонов
В среду в пресс-службе ИТМО сообщила, что ученые Нового физтеха ИТМО (Санкт-Петербург) разработали сверхкомпактный оптический переключатель на основе экситонов — особенных состояний электронов в полупроводниках. Этот переключатель в 100 раз меньше аналогов, его состоянием можно управлять с помощью света, что открывает новые возможности для создания устройств оптической обработки информации на чипе.
В вузе рассказали, что в основе устройств обработки информации (компьютеров, контроллеров или коммутаторов) лежат специальные элементы, выполняющие логические операции. Чтобы быстро управлять ими, без потери качества данных, и снижать энергопотребление приборов, в последние годы стремятся использовать свет вместо подходов традиционной электроники. Однако обычно размеры оптически переключаемых элементов сравнимы с длиной волны света. И это является помехой их интеграции с другими электронными устройствами на чипе.
Способ обхода этого ограничения нашли ученые Нового физтеха ИТМО и Пхоханского университета науки и технологий Южной Кореи. Они предложили оптический переключатель, который в 100 раз меньше длины волны света. Данное устройство состоит из двух наложенных друг на друга атомарно тонких слоев полупроводников, помещенных в нанорезонатор из золотых частиц. Облучение лазером позволило переключать экситонные состояния в системе (0 и 1). Эта конструкция работает на основе плазмонного резонанса.
Пресс-служба приводит слова автора исследования, ведущего научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Василия Кравцова: «Когда на устройство воздействуют светом с определенным фазовым фронтом, оно переключается между излучением на двух разных длинах волн. Это достигается за счет контроля квазичастиц экситонов. Они могут по-разному распределяться в нанорезонаторе (располагаться в его центре или по краям) и, соответственно, по-разному излучать. В конструкции мы использовали новые двумерные полупроводниковые гетероструктуры в комбинации с плазмонным резонатором — раньше так никто не делал. Но именно это позволило нам уменьшить в 100 раз размер переключателя».
Предложенный физиками ИТМО способ довольно прост, при этом, не имеет аналогов в научном сообществе. Чтобы его масштабировать, ученым нужно научиться создавать двумерные гетероструктуры размерами более 100 микрон для проведения экспериментов. Ученые рассказали, что это будет следующим шагом в исследовании. Также авторы научной работы планируют оптимизировать дизайн нанорезонатора, а также использовать фемтосекундные лазеры, чтобы ускорить переключение между состояниями системы.
Эта разработка российских ученых открывает возможности для создания сверхбыстрых устройств нового поколения — квантовых компьютеров, коммутаторов, чипов. С их помощью можно будет оперативно и надежно обрабатывать и передавать информацию.
Отмечается также, что данное исследование поддержано программой Минобрнауки РФ «Приоритет 2030», а также грантами Российского научного фонда.
Для справки
ИТМО — государственный российский вуз, его полное название: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики». В советское время он назывался ЛИТМО — Ленинградский институт точной механики и оптики. С 2009 года — это национальный исследовательский университет (НИУ).
Вуз был основан в 1900 году в Санкт-Петербурге. Приоритетные направления вуза — информационные технологии, искусственный интеллект, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, науки о жизни.