Превращения экситонов в плазмоны и наоборот позволили создать компоненты будущих фотонных компьютеров

Нaстaнeт тo врeмя, кoгдa нaши кoмпьютeры в буквaльнoм смыслe стaнут рaбoтaть сo скoрoстью свeтa. Этo стaнeт вoзмoжным блaгoдaря испoльзoвaнию тexнoлoгий нaнoфoтoники, тexнoлoгий, пoзвoляющиx упрaвлять светом на наноразмерном уровне. И некоторых достижений в этой области удалось добиться ученым из Центра физики интегрированных наноструктур (Center for Integrated Nanostructure Physics, CINAP) Института фундаментальных наук (Institute for Basic Science, IBS). Эти ученые создали несколько ключевых компонентов, в которых самым оптимальным способом скомбинированы наилучшие стороны электроники и фотоники, и которые станут одними из базовых элементов фотонных компьютеров будущих поколений.

Фотонные компьютеры — это вычислительные устройства, носителем информации внутри которых является свет. За счет этого такие компьютеры будут работать гораздо быстрее традиционных электронных компьютеров, но для того чтобы фотонные компьютеры стали практичными, требуется разработка технологий управления светом на наноразмерном уровне. Однако, когда дело касается размеров элементов, существенно меньших, чем длина волны используемого света, возникает целый ряд трудностей. И решить некоторые из этих трудностей можно использовав так называемые поверхностные плазмоны. Плазмоны являются колебаниями облаков свободных электронов, возникающих при падении света на поверхность некоторых металлов, в частности, золота, серебра и алюминия. А используя эти плазмоны можно обойти ограничения дифракционного предела и создать действительно миниатюрные оптические компоненты.

Ученые IBS использовали серебряные нанопровдники и двухмерные полупроводниковые материалы, такие, как дисульфид молибдена (MoS2), и на их базе создали три компонента, фототранзисторы, оптические мультиплексоры и датчики оптических сигналов. Все эти устройства работают, благодаря явлению, называемому взаимопревращением плазмон-экситон-плазмон.

Свет, падающий на поверхность серебряных нанопроводников, помещенных сверху слоя дисульфида молибдена, становится причиной возникновения поверхностных плазмонов, энергия которых приводит к возникновению в дисульфиде молибдена экситона, квазичастицы, состоящей из электрона, связанного с электронной дыркой. Этот экситон, пройдя по дисульфиду молибдена некоторое расстояние, превращается назад в плазмон на поверхности серебряного нанопроводниа и излучает свет с другой длиной волны. К примеру, если устройство освещается светом зеленого лазера, то излучаемый им свет будет красным.

Фототранзистор и датчики оптических сигналов, основанные на взаимопревращениях плазмонов и экситонов имеют достаточно простую структуру. А оптический мультиплексор, расщепляющий свет на несколько составных частей, является более сложным устройством, изготовленным из трех или большего числа различных двухмерных полупроводниковых материалов. Каждый из этих материалов излучает свет строго определенной длины волны и мультиплексор может расщепить луч фиолетового света на лучи синего, зеленого и красного света, к примеру.

Кроме этого, движение и превращение экситонов в плазмоны может быть преобразовано в электрические сигналы, что позволяет использовать такие устройства в качестве быстродействующих и высокочувствительных оптических датчиков.

«Новизна данной технологии заключается именно в цепочке преобразования света в плазмоны, плазмонов в экситоны и так далее в обратном порядке. Это стало возможным, благодаря использованию гибрида нанопроводников и двухмерных полупроводниковых материалов» — рассказывает профессор Хюн Сеок Ли (Hyun Seok Lee), — «Используя все это мы уже создали несколько базовых нанофотонных элементов и в будущем этот список может быть дополнен новыми элементами, позволяющими управлять светом определенным образом».