Профессор Леонид Бутов и его коллеги из калифорнийских университетов в Сан-Диего (UCSD) и Санта-Барбаре (UCSB) создали микросхемы, работающие на экситонах. Необычные элементы могут значительно повысить скорость работы привычной электроники.

Скоростные коммуникации используют фотоны, а процессоры «думают», «жонглируя» электронами. Соединение первого и второго требует наличия модуляторов и всяческих преобразователей, которые часто являются узким местом, мешающим наращивать скорость.

А ведь такой перевод сигналов из оптической формы в электрическую и обратно может очень пригодиться не только при соединении компьютеров между собой, но и внутри одного компьютера и даже внутри одной гибридного чипа.

Проблема – преобразователь должен быть чрезвычайно быстрым и ультракомпактным.

Потенциальное решение — экситонная интегральная схема, первый образец которой и построили учёные в США. Как пишут её создатели в статье в Science, они продемонстрировали контроль над экситонными потоками (и различные операции с ними) в схеме, состоящей из трёх экситонных оптоэлектронных транзисторов.

Поясним, экситоны – это квазичастицы, возникающие при определённых условиях в полупроводнике или диэлектрике. Представляют собой они связанную пару электрон-дырка, выступающую и движущуюся как целое образование.

Фотоны превращаются в экситоны на входе этой необычной схемы, а экситоны обратно преобразуются в фотоны — на выходе. Причём преобразование происходит напрямую, а управление потоками экситонов осуществляется при помощи напряжения, точно так же, как управление обычными сигналами в процессоре.

Экситон возникает в момент попадания фотона в полупроводник, причём схема устроена так, что электрон и дырка, составляющие экситон, «селятся» в соседних квантовых колодцах — особых полупроводниковых структурах.

Два таких колодца разделяют несколько нанометров. Прикладываемое к ним напряжение позволяет экситонам перемещаться. И когда поступает соответствующий сигнал — эти квазичастицы попадают на выход, где распадаются, порождая фотон. Точнее, распадом такой частицы является рекомбинация пары электрон-дырка.

«Экситоны связаны непосредственно с фотонами, — говорит Бутов, — что позволяет увязывать расчёты и коммуникацию».

Исследователи построили на базе экситонных транзисторов простую схему, способную выборочно направлять экситоны по одному из ряда путей. Причём поскольку экситоны перемещаются очень быстро, коммутатор на такой основе способен переключаться каждые 200 пикосекунд.

Единственное ограничение, которое пока мешает созданию экситонных логических схем, пригодных для массового применения, — низкая рабочая температура. Она составляет менее 40 градусов по Кельвину.

Однако Бутов и его коллеги знают, как преодолеть это препятствие. Нужно просто подобрать иной материал для экситонных транзисторов. В первом прототипе использован, кстати, арсенид галлия.