Российские физики научились использовать «частицо-волны» света для передачи информации в миниатюрных кремниевых чипах, что позволит создать первые световые компьютеры в ближайшем будущем, чья скорость будет в десятки раз выше, чем у современных аналогов, говорится в статье, опубликованной в журнале Optics Express.

«Поверхностные поляритоны достаточно давно считались одним из кандидатов на роль главного переносчика информации в оптических сетях, однако проблема заключалась в том, что сигнал быстро гас, распространяясь по плазмонным световодам. Мы очень близко подошли к решению этой проблемы, и наш подход открывает путь к разработке высокоскоростных оптоэлектронных чипов», — рассказывает Дмитрий Федянин из Московского физико-технического института в Долгопрудном.

Рис. 1. Схема плазмонного световода, созданного физиками из Физтеха. (© Svintsov et al./Supercomputingonline.com).

Федянин и его коллеги сделали большой шаг к переходу от обычных электронных гаджетов к их футуристическим световым аналогам, научившись «сжимать» свет при помощи так называемых плазмонных резонаторов и рождающихся на их поверхности необычных частиц – поляритонов.

Поляритоны представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.

Он состоит из трех компонентов — оптического резонатора (набора из двух зеркал-отражателей), заточенной между ними световой волны и квантового колодца – атома и вращающегося вокруг него электрона, который периодически поглощает и испускает квант света.

Поверхностные поляритоны, как объясняет Федянин,

позволяют решить ключевую проблему оптоэлектроники – невозможность миниатюризации некоторых ключевых компонентов световых компьютеров.

Дело в том, что их размеры не могут быть меньше 200 нанометров для видимого света и около 500 нанометров для инфракрасного излучения из-за явления дифракции света — огибания волнами света препятствий, имеющих размеры менее половины длины световой волны. Для сравнения, размеры транзисторов и проводников в современных чипах составляют десятки и единицы нанометров.

Поляритоны, по словам Федянина, позволяют преодолевать этот предел, так как в таком случае внутри чипа будет двигаться не свет, а коллективные колебания электронов, порождаемые в плазмонных резонаторах.

Проблема заключается в том, что

при достаточно миниатюрных размерах подобные резонаторы начинают греться еще сильнее, чем это делают транзисторы в обычных кремниевых чипах, что делает подобную замену по сути бессмысленной.

Эти потери энергии в виде тепла приводят к тому, что колебания плазмонов очень быстро затухают без внешней поддержки.

Физики из МФТИ разработали такой метод поддержки этих плазмонов при помощи слабых импульсов тока, который позволяет им проходить от одного конца чипа до его противоположной оконечности без потери сигнала.

Секретом этого успеха стало то, что российские ученые вставили тонкий слой диэлектрика между резонаторами из наночастиц золота и полупроводниковой «шиной», через которую шел ток, поддерживающий колебания плазмонов. Подобное техническое решение почти обнулило токи утечки, резко снизило тепловыделение и сделало возможным использование плазмонных поверхностных поляритонов в оптоэлектронике, заключают физики.