Исследователи из американского Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) создали пьезо-оптомеханическое устройство, способное выполнять преобразование оптических, акустических и радиосигналов в любой комбинации и в любом направлении. Это устройство может стать основой систем, при помощи которых будет производиться передача и хранение информации в компьютерах следующих поколений, включая фотонные и квантовые компьютеры.

Нашим постоянным читателям наверняка известно понятие закона Гордона Мура, который определяет то, что количество транзисторов и вычислительная мощность микропроцессоров удваивается каждые два года. Но в последнее время размеры транзисторов, за счет чего осуществляется увеличение их числа и увеличение производительности процессоров, приблизилось к пределам, определяемым некоторыми физическими законами. Поэтому исследователи находятся в поисках альтернативных методов передачи и обработки информации, и одним из таких методов является использование света и акустических колебаний. Но говорить о практическом использовании нетрадиционных сред в качестве носителей информации можно будет лишь после того, как будут созданы устройства, выполняющие эффективное преобразование сигналов одного типа в другой.

Именно таким устройством-преобразователем и является созданное учеными NIST пьезо-оптомеханическое устройство. Его основой является «оптомеханическая впадина», роль которой выполняет наноразмерная «стоячая» волна луча света. В районе этого луча создано несколько отверстий, которые выступают в роли зеркальных ловушек для фотонов. Фотоны света определенной частоты отражаются тысячи раз от этих зеркал, прежде чем им удается покинуть пределы луча, а расстояние между зеркалами ограничивает частоту механических колебаний, создаваемых отражаемыми фотонами, миллиардами циклов в секунду (гигагерцами). Фотоны и кванты механических колебаний, фононы, постоянно обмениваются энергией, что позволяет наращивать количество фотонов, пойманных в ловушку, а увеличение количества фотонов приводит к увеличению амплитуды механических колебаний. Силы этого обоюдного взаимодействия или сцепления являются самыми сильными среди всех созданных ранее оптомеханических систем.

Одним из главных моментов устройства являются акустические волноводы, присоединенные к оптической ловушке, которые направляют фононы акустических колебаний по заданному пути. Направляя созданные снаружи фононы в район оптической впадины, можно управлять параметрами движения наноразмерного луча света. А накачивая оптическую ловушку фотонами с определенными характеристиками, можно превратить устройство в генератор фононов.

Кроме этого, в состав устройства включены элементы из пьезоэлектрического материала, который под воздействием переменного электрического поля может создавать механические колебания очень высокой частоты. А специальный элемент-преобразователь (interdigitated transducer, IDT) позволяет увеличить эффективность пьезоэлектрического эффекта. При помощи этих элементов реализована взаимосвязь между радиоволнами и акустическими колебаниями, которые можно использовать в качестве самостоятельных носителей информации или для управления потоком излучаемого устройством света.

Созданное учеными устройство позволяет реализовать даже самые экзотические варианты преобразования типов сигналов. К примеру, при его помощи можно получить кванты механических колебаний, параметры которых зависят от параметров всего двух взаимодействующих во впадине фотонов света.

«Будущие системы обработки информации должны включать в себя различные типы носителей информации, которые оптимально подходят для решения той или иной конкретной задачи» – рассказывает Картик Сринивэсан (Kartik Srinivasan), ученый из Научно-исследовательского центра нанотехнологий (NIST Center for Nanoscale Science and Technology), – «Наша разработка как раз и является платформой, которая позволяет выполнить передачу информации от носителей одного типа к носителям других типов».