Natuurkundigen van de afdeling Nanofotonica en Metamaterialen van de ITMO University hebben experimenteel de haalbaarheid aangetoond van het ontwerpen van een optische analoog van een transistor op basis van een enkel silicium nanodeeltje. Omdat transistors enkele van de meest fundamentele componenten van computercircuits zijn, de resultaten van het onderzoek zijn van cruciaal belang voor de ontwikkeling van optische computers, waar transistors tegelijkertijd heel klein en ultrasnel moeten zijn. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters .

De prestaties van moderne computers, die elektronen gebruiken als signaaldragers, wordt grotendeels beperkt door de tijd die nodig is om de transistor te triggeren - meestal ongeveer 0,1 tot één nanoseconde (1/1.000.000.000 van een seconde). Optische computers van de volgende generatie, echter, vertrouwen op fotonen om het nuttige signaal te dragen, waardoor de hoeveelheid informatie die per seconde door de transistor gaat sterk toeneemt. Om deze reden, de creatie van een ultrasnelle en compacte volledig optische transistor wordt beschouwd als instrumenteel in de ontwikkeling van optische computers. Zo'n nano-apparaat zou wetenschappers in staat stellen om de voortplanting van een optische signaalbundel binnen enkele picoseconden te regelen door middel van een externe stuurbundel.

In de studie, een groep Russische wetenschappers van de ITMO University, Lebedev Physical Institute en Academische Universiteit in Sint-Petersburg hebben een geheel nieuwe benadering gekozen om dergelijke optische transistors te ontwerpen, een prototype hebben gemaakt met slechts één silicium nanodeeltje.

De wetenschappers ontdekten dat ze de eigenschappen van een silicium nanodeeltje drastisch konden veranderen door het te bestralen met een intense en ultrakorte laserpuls. De laser werkt dus als een controlestraal, het verschaffen van ultrasnelle foto-excitatie van dicht en snel recombinerend elektron-gat plasma waarvan de aanwezigheid de diëlektrische permittiviteit van silicium gedurende enkele picoseconden verandert. Deze abrupte verandering in de optische eigenschappen van het nanodeeltje opent de mogelijkheid om de richting waarin invallend licht wordt verstrooid te regelen. Bijvoorbeeld, de richting van verstrooiing van nanodeeltjes kan worden veranderd van achterwaarts naar voorwaarts op een tijdschaal van picoseconden, afhankelijk van de intensiteit van de laserpuls van de invallende controle. Dit concept van ultrasnel schakelen is veelbelovend voor het ontwerpen van volledig optische transistoren.

"Over het algemeen, onderzoekers op dit gebied zijn gericht op het ontwerpen van volledig optische transistors op nanoschaal door middel van het regelen van de absorptie van nanodeeltjes, die, in essentie, is volkomen logisch. In hoge absorptiemodus, het lichtsignaal wordt geabsorbeerd door het nanodeeltje en kan er niet doorheen, terwijl uit deze modus het licht zich langs het nanodeeltje kan voortplanten. Echter, deze methode leverde geen beslissende resultaten op, " legt Sergey Makarov uit, hoofdauteur van de studie en senior onderzoeker bij de afdeling Nanophotonics and Metamaterials. "Ons idee is anders in die zin dat we niet de absorptie-eigenschappen van het nanodeeltje controleren, maar eerder het verstrooiingsdiagram. Laten we zeggen dat het nanodeeltje normaal gesproken bijna al het invallende licht in achterwaartse richting verstrooit, maar zodra we het bestralen met een controlepuls, het wordt opnieuw geconfigureerd en begint licht naar voren te verstrooien."

De keuze voor silicium als materiaal voor de optische transistor was niet toevallig. Het maken van een optische transistor vereist het gebruik van goedkope materialen die geschikt zijn voor massaproductie en die hun optische eigenschappen in enkele picoseconden kunnen veranderen (in het regime van dicht elektron-gat plasma) zonder tegelijkertijd oververhit te raken.

"De tijd die het ons kost om ons nanodeeltje te deactiveren bedraagt ​​slechts enkele picoseconden, terwijl we om het te activeren niet meer dan tientallen femtoseconden nodig hebben. Nu hebben we al experimentele gegevens die duidelijk aangeven dat een enkel silicium nanodeeltje inderdaad de rol kan spelen van een volledig optische transistor. Momenteel zijn we van plan om nieuwe experimenten uit te voeren, waar, samen met een laserstuurstraal, we zullen een nuttige signaalstraal introduceren", concludeert Pavel Belov, co-auteur van de paper en hoofd van de afdeling Nanophotonics and Metamaterials.