Меньше длины волны в 100 раз: в ИТМО создали сверхкомпактный оптический переключатель

Ученые ИТМО разработали сверхкомпактный оптический переключатель на основе экситонов — особенных состояний электронов в полупроводниках. Он в 100 раз меньше аналогов, и его состоянием можно управлять с помощью света. Проект открывает новые возможности для создания устройств оптической обработки информации на чипе.

В основе устройств обработки информации (компьютеров, контроллеров или коммутаторов) лежат специальные элементы, выполняющие логические операции. Чтобы быстро управлять ими без потери качества данных и снижать энергопотребление приборов, в последние годы стремятся использовать свет вместо подходов “традиционной” электроники. Однако обычно размеры оптически (то есть светом) переключаемых элементов сравнимы с длиной волны света, что мешает их интеграции с другими электронными устройствами на чипе.

Ученые Нового физтеха ИТМО и Пхоханского университета науки и технологий Южной Кореи нашли способ, как обойти это ограничение. Они предложили оптический переключатель, который в 100 раз меньше длины волны света. Устройство состоит из двух наложенных друг на друга атомарно тонких слоев полупроводников, помещенных в нанорезонатор из золотых частиц. Облучение лазером позволило переключать экситонные состояния в системе (0 и 1). Конструкция работает на основе плазмонного резонанса.

“Когда на устройство воздействуют светом с определенным фазовым фронтом, оно переключается между излучением на двух разных длинах волн. Это достигается за счет контроля квазичастиц экситонов. Они могут по-разному распределяться в нанорезонаторе (располагаться в его центре или по краям) и соответственно по-разному излучать, — объясняет автор исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Василий Кравцов. — В конструкции мы использовали новые двумерные полупроводниковые гетероструктуры в комбинации с плазмонным резонатором — раньше так никто не делал, но именно это позволило нам уменьшить в 100 раз размер переключателя”.

Предложенный физиками ИТМО способ довольно прост и не имеет аналогов в научном сообществе. Чтобы его масштабировать, ученым нужно научиться создавать двумерные гетероструктуры размерами более 100 микрон для проведения экспериментов. Это будет следующим шагом в исследовании. Кроме того, авторы планируют оптимизировать дизайн нанорезонатора, а также использовать фемтосекундные лазеры, чтобы ускорить переключение между состояниями системы.

Разработка ученых ИТМО открывает возможности для создания сверхбыстрых устройств нового поколения — квантовых компьютеров, коммутаторов, чипов. С их помощью можно будет оперативно и надежно обрабатывать и передавать информацию.

Исследование поддержано программой Минобрнауки РФ «Приоритет 2030», а также грантами РНФ (21-72-10100 и 22-72-10047).