Прибор, представляющий собой диск диаметром в 250 нанометров, способен переключать оптические импульсы за время, исчисляемое фемтосекундами (фемтосекунда представляет собой одну миллионную долю от одной миллиардной доли секунды)
Исследователи из МГУ имени М.В.Ломоносова в составе международной группы создали сверхбыстрый фотонный переключатель, работающий на кремниевых наноструктурах. Это устройство может стать основой компьютеров будущего и позволить передавать данные с огромной скоростью. Разработка ученых представлена в статье в журнале Nano Letters (от ред. статья Shcherbakov, Maxim R., Polina Vabishchevich, Alex Shorokhov, Katie Eve Chong, Duk-Yong Choi, Isabelle Staude, Andrey E. Miroshnichenko, Dragomir N. Neshev, Andrey A. Fedyanin, and Yuri S. Kivshar. "Ultrafast all-optical switching with magnetic resonances in nonlinear dielectric nanostructures." Nano letters (2015)).
Данная разработка относится к фотонике — научной дисциплине, которая появилась в шестидесятых годах прошлого века одновременно с появлением лазеров. Основная идея фотоники — сделать то же, что делает электроника, но с заменой электронов на кванты света, фотоны. Главное их преимущество в том, что они практически не взаимодействуют друг с другом и со средой, в которой распространяются, и потому более предпочтительны для передачи информации, чем электроны. Это в первую очередь может быть использовано в компьютерах, для которых главным показателем является быстродействие. Но в то время, как основа современных электронных устройств — транзисторы — имеют характерные размеры менее ста нанометров, размеры прототипов оптических транзисторов остались на масштабах в несколько микрометров. Структуры же, способные в этом смысле конкурировать с электроникой, такие, как плазмонные наночастицы, отличались низкой эффективностью и большими потерями. Так что ситуация с компактностью для фотонных схем представлялась тупиковой.
Но три года назад исследователи одновременно из нескольких научных групп наткнулись на важный эффект: в наночастицах кремния были обнаружены сильные резонансы в видимой области спектра, так называемые магнитные дипольные резонансы. Данный резонанс характеризуется сильной локализацией световых волн на субволновых масштабах внутри наночастиц. Эффект заинтересовал многих исследователей, однако, по словам Максима Щербакова, первого автора статьи в Nano Letters, никто почему-то не подумал о том, что это открытие может лечь в основу компактного и очень быстрого фотонного переключателя.
Наночастицы удалось изготовить в Австралийском национальном университете методом электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением. Это было сделано аспирантом Александром Шороховым, который проходил там стажировку в рамках стипендии Президента РФ. Полученные образцы были направлены в Москву, и все последующие эксперименты с ними проводились на физическом факультете МГУ в лаборатории нанооптики и метаматериалов.
«В своих экспериментальных исследованиях мы с моей коллегой Полиной Вабищевич, сотрудницей физического факультета МГУ, использовали большой набор различных нелинейно-оптических методик, связанных со взаимодействием фемтосекундных лазерных импульсов с веществом, — пояснил Максим Щербаков. — Нами использовался фемтосекундный лазерный комплекс, приобретенный по программе развития МГУ.
В конечном итоге исследователями был получен прибор, представляющий собой диск диаметром в 250 нанометров, способный переключать оптические импульсы за время, исчисляемое фемтосекундами (фемтосекунда представляет собой одну миллионную долю от одной миллиардной доли секунды). Такое время срабатывания позволяет в перспективе создавать устройства передачи и обработки информации на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду. Подобная скорость позволила бы скачивать тысячи художественных фильмов высокого качества за одну секунду.
Работа созданного учеными МГУ фотонного переключателя сводится к отправке на него двух лазерных импульсов, которые, благодаря наличию у кремниевых наночастиц магнитных резонансов, очень хорошо друг с другом взаимодействуют. Если эти импульсы приходят одновременно, то один них, управляющий, вступает во взаимодействие со вторым и гасит его за счет эффекта двухфотонного поглощения. Если же импульсы приходят с разрывом во времени всего в сто фемтосекунд, взаимодействия не происходит, и второй импульс проходит через наноструктуру, не изменяясь.
«Нам удалось разработать структуру, в которой также сведена на «нет» роль свободных носителей, — отметил Максим Щербаков. — Свободные носители — то есть электроны и дырки — в устройствах интегральной фотоники традиционно накладывают серьезные ограничения на скорости преобразования сигналов. Наша работа представляет собой важный шаг для развития активных устройств фотоники — логических элементов, транзисторов и т.п. Особенности технологии, примененной нами в нашей разработке, позволят уже сейчас использовать ее в схемах кремниевой интегральной фотоники. В ближайшей перспективе мы намерены осуществить проверку таких наночастиц в интегральном исполнении».
