Toonaangevende onderzoeksgroepen op het gebied van nanofotonica werken aan de ontwikkeling van optische transistors, belangrijke componenten voor toekomstige optische computers. Deze apparaten verwerken informatie met fotonen in plaats van elektronen, waardoor de hitte wordt verminderd en de werksnelheid wordt verhoogd. Echter, fotonen gaan niet goed met elkaar om, wat een groot probleem vormt voor micro-elektronica-ingenieurs. Een groep onderzoekers van de ITMO University, samen met collega's, hebben een nieuwe oplossing voor dit probleem bedacht door een planair systeem te creëren waarin fotonen zich koppelen aan andere deeltjes, waardoor ze met elkaar kunnen communiceren. Het in hun experiment gedemonstreerde principe kan een platform bieden voor de ontwikkeling van toekomstige optische transistoren. De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Transistoren functioneren dankzij de gecontroleerde beweging van elektronen. Deze aanpak wordt al tientallen jaren gebruikt, maar het heeft een aantal nadelen. Eerst, elektronische apparaten hebben de neiging om warm te worden wanneer ze een taak uitvoeren, wat betekent dat een deel van de energie wordt verspild als warmte en niet wordt gebruikt voor het echte werk. Om de verwarming te regelen, apparaten zijn uitgerust met koerelementen, dus nog meer energie verspillen. Tweede, elektronische apparaten hebben een beperkte verwerkingssnelheid. Sommige van deze problemen kunnen worden opgelost door fotonen te gebruiken in plaats van elektronen. Apparaten die fotonen gebruiken voor het coderen van informatie zouden minder warmte produceren, minder energie nodig hebben, en sneller werken.

Dus, wetenschappers over de hele wereld doen onderzoek op het gebied van optische computers. Echter, het grootste probleem is dat fotonen, in tegenstelling tot elektronen, niet met elkaar omgaan. Daarom hebben onderzoekers methoden voorgesteld om fotonen te "trainen" om met elkaar te interageren. Een idee is om fotonen te koppelen met andere deeltjes. Een groep onderzoekers van ITMO's Department of Physics and Engineering, samen met collega's, hebben een nieuwe implementatie gedemonstreerd waarin fotonen koppelen aan excitonen in enkellaagse halfgeleiders. Excitonen vormen zich in halfgeleiders wanneer elektronen worden geëxciteerd, lege valentiebindingen achterlatend (of elektrongaten, zoals natuurkundigen ze noemen). Zowel het elektron als zijn gat kunnen met elkaar interageren, het creëren van een nieuw deeltje - een exciton, die op hun beurt kunnen interageren met andere excitonen.

"Als we excitonen sterk koppelen aan lichtdeeltjes, we zullen polaritonen krijgen, " legt Vasily Kravtsov uit, een vooraanstaand onderzoeker aan de ITMO University en een van de co-auteurs van de paper. "Deze zijn deels licht, wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt om zeer snel informatie over te dragen; maar op het zelfde moment, ze kunnen heel goed met elkaar omgaan."

Het maken van een op polariton gebaseerde transistor is niet eenvoudig. Onderzoekers moeten een systeem ontwerpen waarin deze deeltjes lang genoeg kunnen bestaan ​​met behoud van hun hoge interactiesterkte. In de laboratoria van ITMO's Department of Physics and Engineering, polaritonen worden gemaakt met behulp van een laser, een golfgeleider en een extreem dunne molybdeendiselenide halfgeleiderlaag. Een halfgeleiderlaag van drie atomen dik wordt op een nanofotonische golfgeleider geplaatst met een nauwkeurig net van zeer fijne groeven op het oppervlak. Daarna, het wordt verlicht met een rode laser om excitonen in de halfgeleider te creëren. Deze excitonen koppelen met lichtdeeltjes, polariteiten creëren, die vastzitten in het systeem.

Op deze manier verkregen polaritonen bestaan ​​niet alleen voor relatief lange tijdsperioden, maar hebben ook een extra hoge niet-lineariteit, wat betekent dat ze actief met elkaar omgaan.

"Het brengt ons dichter bij het creëren van een optische transistor, aangezien we nu een plat platform hebben van minder dan 100 nanometer dik, die op een chip zou kunnen worden geïntegreerd. Aangezien de niet-lineariteit vrij hoog is, we zouden geen krachtige laser nodig hebben - een kleine rode lichtbron is voldoende, die ook op de chip kan worden geïntegreerd, ", zegt Vasili Kravtsov.

Momenteel, de studie gaat verder, omdat de onderzoekers de efficiëntie van hun systeem bij kamertemperatuur moeten aantonen.