Физики из Университета Калифорнии разработали первое оптически контролируемое микроэлектронное устройство, не основанное на полупроводниковых материалах. Прибор представляет собой переключатель, способный пропускать или блокировать протекание тока под действием слабого лазерного излучения. В его основе лежит метаматериал, состоящий из золотых «грибов». По словам ученых, использование метаматериалов поможет в создании более мощных и быстрых устройств, основанных на вакуумных или газовых каналах для электричества — своеобразных наноразмерных вакуумных ламп. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Микрофотография устройства, использованного в работе. Ebrahim Forati et al. / Nature Communications, 2016

Скорость работы микроэлектронных устройств зависит, в частности, от подвижности носителей заряда, переносящих электрический ток. Этот параметр зависит от того, в каком материале перемещаются частицы. Поэтому использование полупроводниковых материалов (в частности, кремния) вносит ограничения на работу микроэлектроники. Подвижность носителей заряда в неоновой трубке, к примеру, в семь раз больше, чем в традиционном для электроники кремнии. Однако создание устройств с газовыми или вакуумными каналами для электронов осложнено тем, что для «выбивания» частиц из материи требуются большие напряжения (более 100 вольт), температуры (1000 кельвин) или мощности лазерного излучения (порядка тераватт на квадратный сантиметр). Для микроэлектронных устройств такие интенсивные воздействия могут быть разрушительны.

Компьютерная модель устройства с массивом золотых «грибов». UC San Diego Applied Electromagnetics Group

Авторы новой работы нашли способ, как эффективно «выбивать» электроны из вещества не прибегая к интенсивным внешним воздействиям. Для этого физики создали решетку на основе метаматериала, способного эффективно концентрировать электрическое поле и создавать локальные области с высокими полями. При одновременном облучении устройства в вакуумной камере с помощью лазерного луча (плотность потока до 40 ватт на квадратный сантиметр, сопоставимо с лазерной указкой) и подачи электрического напряжения проводимость устройства резко повышалась. Десятикратный скачок происходил за счет «выброса» электронов в вакуум. 

Само устройство представляет собой сетку из параллельных металлических полос, на некоторых из которых расположены золотые «грибы» с диаметром шляпки в несколько сотен нанометров. Массив грибов работает как антенна, преобразующая электромагнитное излучение лазера. Металлические полосы не контактируют напрямую, но если в вакууме между ними появляются носители заряда, возникает возможность для проведения тока. 

Метаматериалами называют такие материалы, свойства которых (например, оптические) определяются в большей степени не веществами, из которых они состоят, а периодическими структурами, которые эти вещества образуют. Одним из классических примеров метаматериалов являются среды с отрицательным коэффициентом преломления. Ранее мы сообщали о том, что с помощью метаматериалов можно создать среду с бесконечной фазовой скоростью света.