Ученые-физики из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Физического института РАН им. П.Н.Лебедева и Санкт-Петербургского академического университета продемонстрировали возможность создания еще одного типа оптического аналога одного из самых распространенных электронных приборов – транзистора. Поскольку транзисторы являются фундаментальными компонентами цифровых электронных схем, новый оптический транзистор, состоящий из одной кремниевой наночастицы, может стать базой, на основе которой будут созданы оптические процессоры, отличающиеся сверхвысокой производительностью, малыми габаритами и небольшим количеством энергии, потребляемой ими во время работы.

Быстродействие процессоров современных компьютеров, которые используют потоки электронов в качестве носителей информации, ограничено, в первую очередь, временем переключения транзисторов из закрытого в открытое состояние и наоборот. Это время обычно находится в пределах от 0.1 до 1 наносекунды (1/1.000.000.000 секунды). Оптические компьютеры, которые будут полагаться на фотоны в качестве носителей информации, должны иметь в составе своих чипов оптические транзисторы, способные переключаться с гораздо большей скоростью для того, чтобы обеспечить большую скорость передачи и обработки информации. Для того, чтобы сделать оптические процессоры достойными внимания, их транзисторы, управляющие распространением лучей света, должны быть в состоянии переключаться минимум в пределах нескольких пикосекунд (1/1.000.000.000.000 секунды).

Во время своих исследований ученые из Санкт-Петербурга выяснили, что оптические свойства кремниевой наночастицы могут кардинально измениться при освещении ее ультракоротким импульсом лазерного света. Луч, состоящий из таких импульсов, служит для управления состоянием транзистора, обеспечивая возбуждение электронов кремния наночастицы, что становится причиной возникновения так называемой «плазмы» из электронных дырок, присутствие которой изменяет диэлектрическую проницаемость кремния на несколько пикосекунд. Это изменение, в свою очередь, приводит к резким изменениям оптических свойств кремния, что позволяет управлять направлением, в котором отражается падающий на наночастицу свет. В зависимости от характеристик управляющих импульсов света, падающий на наночастицу свет может быть даже отражен в противоположном нормальному направлении.

«Все исследования, которые проводились в этом направлении ранее, были сосредоточены на создании оптических транзисторов путем управления поглощающими свойствами используемых наночастиц, что являлось наиболее логичным путем. При высоком показателе поглощения свет не мог пройти сквозь материал наночастицы, однако, за счет некоторых оптических эффектов свет огибал непрозрачную наночастицу и двигался дальше, как ни в чем ни бывало. Из-за этого эффекта разработка таких методов не дала никаких значительных результатов» – рассказывает Сергей Макаров, исследователь из Отдела фотоники и метаматериалов ИТМО, – «Наш метод отличается тем, что мы используем управление не поглощающими свойствами наночастиц, а, скорее, диаграммой, направлением отражения ею света. Скажем, в нормальном состоянии наночастица отражает весь падающий свет обратно, но стоит нам осветить ее контролирующим импульсом, она начинает рассеивать свет в противоположном направлении».

Выбор кремния в качестве материала для оптического транзистора был далеко не случаен. Ведь оптические транзисторы, миллионы и миллиарды которых будут входить в состав фотонных процессоров, должны изготавливаться из недорогого материала, который по всем параметрам подходит для технологий массового производства. Кроме этого, такой материал должен быть способен изменять свои оптические свойства в течение пикосекунд и быстрее под воздействием импульса света, не сильно перегреваясь при этом.

«Время, которое требуется кремниевой наночастице для возврата из активного в обычное состояние (выключения оптического транзистора), составляет несколько пикосекунд. А время ее активации (включения) гораздо меньше, оно равно нескольким десяткам фемтосекунд (1/1.000.000.000.000.000 секунды). Эти значения были получены в ходе экспериментов с первыми опытными образцами оптических транзисторов на основе кремниевых наночастиц» – рассказывает Павел Белов, один из исследователей, – «А в ближайшем времени мы планируем провести новые эксперименты, в которых будет использоваться не только управляющий луч лазера, но и луч лазера, несущий информационный сигнал, которым будет управлять оптический транзистор».