Физики из России создали световой транзистор, не требующий охлаждения

МОСКВА, 20 июн – РИА Новости. Ученые из "Сколтеха" и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля. Его описание и результаты первых опытов были опубликованы в журнале Nature Photonics.

«

"Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой члены нашей группы трудились днем и ночью. Думаю, фотонные процессоры, работающие со скоростью света, станут для нас такой же реальностью, какой сегодня для нас является оптическая связь", — заявили российские ученые, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов – устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более небольших и быстрых вычислительных приборов.

Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов – как сегодня считают многие физики и инженеры, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в пять нанометров, принципиально невозможно создать.

Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от самой электроники и переходят на иные способы передачи сигнала – при помощи света, спинов частиц или каких-то других "носителей информации".

Для перехода к "световым вычислениям" необходимо несколько важнейших ключевых технологий — световой аналог транзистора, способный избирательно пропускать или задерживать фотоны, а так же расщепитель, способный разбивать луч на две части и удалять ненужные компоненты света.

Прототипы таких приборов уже существуют, однако у всех них есть большая проблема. По своим размерам они напоминают гигантские по современным меркам транзисторы 60 годов прошлого века, когда человечество делало только первые шаги в "компьютерный век". Миниатюризация подобных расщепителей и транзисторов, как показала практика, является крайне нетривиальной задачей.

Антон Заседателев, Павлос Лагудакис и Антон Бараников из лаборатории гибридной фотоники "Сколтеха", а также их зарубежные коллеги, сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать в тысячи раз быстрее, чем его электронные аналоги.

Когда ученые начали разрабатывать световые компьютеры, они быстро столкнулись с фундаментальной проблемой – частицы света фактически не взаимодействуют между собой и их движением крайне сложно управлять.

Эти сложности, как недавно выяснили российские и зарубежные физики, можно решить при помощи так называемых поляритонов. Они представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.

Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, в роли которого обычно выступает набор из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца. В его роли выступает атом и вращающийся вокруг него электрон, который периодически поглощает и испускает квант света.

Эти квазичастицы, как показали первые опыты с ними, можно использовать для создания транзисторов и другой управляющей логики световых компьютеров, однако у всех прототипов подобных устройств был один общий недостаток – они работали только при температурах, близких к абсолютному нулю.

Физики из "Сколтеха" и их европейские коллеги решили эту проблему, научившись создавать поляритоны не в кремнии или других "классических" полупроводниках, а в их органических аналогах, сохраняющих нужные свойства и при комнатных температурах.

На эту роль, как показали опыты ученых, подходит полипарафенилен (MeLPPP), недавно открытый полимерный материал, аналоги которого сегодня применяются при производстве кевлара и различных красителей. Молекулы этого вещества оказались устроены таким образом, что даже при высоких температурах внутри него возникают особые зоны, способные играть роль квантового колодца в классических поляритонах.

Вставив пленку из этого полимера в своеобразный "бутерброд" из нескольких неорганических материалов, физики научились управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать частицы света, используя два разных типа лазеров. Как показали опыты с прототипом такого транзистора, он способен не только переключаться с рекордно высокой скоростью, но и усиливать световой сигнал и при этом тратить минимальное количество энергии.

Используя три подобных транзистора, ученые уже собрали первые прототипы световых логических устройств, способных исполнять операции И и ИЛИ. Их успешная реализация, как считают ученые, открывает дорогу для создания компактных, быстрых и при этом очень экономных световых компьютеров.