Для достижения сверхвысокой скорости вычислений компьютеры будущего, возможно, будут проводить вычисления, используя фотоны вместо электронов. Однако, к настоящему времени специалисты так и не смогли разработать материалы, которые могли бы применяться в фотонных информационных технологиях. Исследователи из Франции продемонстрировали, что смесь кремния и углеродных нанотрубок, может стать подходящим материалом для создания квантовых вычислительных систем.

Кремний уже применяется в обычных микропроцессорах, и благодаря физическим свойствам, возможно, может стать основой для фотонных компьютеров, однако кремний не способен генерировать и испускать свой собственный свет. Для того, чтобы получить компоненты процессоров будущего на кремниевой основе, исследователи пытались использовать и другие вещества – германий и другие полупроводники, однако, методы, с помощью которых получают эти материалы, несовместимы с методами получения кремния, и полученные с помощью полупроводниковых материалов композиты, пригодные для квантовых вычислений, не могут переносить температуры, при которых работают компьютерные процессоры, без потери эффективности.

Рис. 1. Для разработки дешевых структур для
оптических микропроцессоров исследователи
покрыли кремниевый волновод (синий) углеродными
нанотрубками (серые трубки). Облучение поверхности
волновода светом лазера (красный луч на схеме)
нанотрубки поглощают его и реэмитируют его
через канал волновода (волнообразная стрелка).
(Рисунок из ACS Nano, DOI: 10.1021/nn204924n).

Исследователи из Института Фундаментальной Электроники в Париже решили изменить свойства кремния с помощью углеродных нанотрубок. По словам работавшего над проектом Никола Изара (Nicolas Izard), углеродные нанотрубки могут поглощать и испускать фотоны, и исследователи могут регулировать длину волны света эмиссии просто за счет изменения длины нанотрубок.

Для проверки возможности применения нанотрубок исследователи покрыли кремниевую структуру-волновод одностенными углеродными нанотрубками; кремниевый волновод служит для управления движением света, примерно таким же образом, как это делает оптико-волоконный кабель. В оптическом микропроцессоре волноводы необходимы для генерации света и передачи его на другие волноводы.

При облучении полученного композита светом с длиной волны 800 нм нанотрубки поглощали свет и реэмитировали его по волноводу, который затем направлял движение света по основной структуре, что демонстрировало возможность применения покрытого нанотрубками волновода в качестве генератора излучения, который мог использоваться на практике. Длина волны света эмиссии составляла 1,3 мкм, что близко к параметрам света, применяющегося в телекоммуникации.

Также исследователи продемонстрировали, что нагревание устройства не влияет на его производительность – при температурах 20, 60 и 100°C на наблюдалось изменений параметров света, выделяющегося при реэмиссии.

Разработанное французскими исследователями устройство является первым примером непосредственной интеграции углеродных нанотрубок и кремниевого волновода.

В настоящее время исследователи работают над созданием устройства, которое может преобразовывать в свет электрические сигналы, а не лазерное излучение.