Создан первый в своем роде оптический транзистор, состоящий из единственного атома

В свое время мы рассказывали нашим читателям о транзисторах, состоящих из единственных атомов, которые за счет их малых размеров могут обеспечить соблюдение закона Гордона Мура еще достаточно длительное время. А недавно группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) в Цюрихе разработала фотонный транзистор, первый в своем роде оптический переключатель, основу которого составляет единственный атом серебра.

Базой для этого достижения являлась работа, проведенная данной группой около шести месяцев назад, в ходе которой ученым удалось создать самый маленький в мире оптический модулятор, который используется для преобразования электрических сигналов в оптические. Этот модулятор имеет размеры порядка 10 микрон, что в 10 тысяч раз меньше, чем модуляторы, используемые в современной коммуникационной технике.

10 тысяч раз — это весьма и весьма существенное сокращение размера, но швейцарские ученые не остановились на достигнутом и пошли дальше, сократив размеры устройства до размеров единственного атома. Проблема, с которой им довелось столкнуться, заключается в том, что размеры атома и устройства в целом меньше, чем длина волны лазерного света (1.55 микрометра), который используется в коммуникационных технологиях.

Такие ограничения, связанные с длинами волн света, обходятся при помощи плазмоники, которая работает за счет передачи энергии фотонов свободным электронам, облака которых возникают на поверхности некоторых металлов. Эта энергия заставляет электроны колебаться с частотой, соответствующей частоте поглощенного фотона, однако, амплитуда колебаний всегда гораздо меньше длины волны света, что позволяет существенно сократить размеры фотонно-плазмонных устройств.

Устройство, разработанное швейцарскими учеными, состоит из двух площадок, изготовленных из серебра и платины. Эти площадки размещены сверху кремниевого оптического волновода, а друг от друга их разделает расстояние в несколько нанометров. На конце серебряной площадки изготовлен выступ, наличие которого еще больше уменьшает зазор между площадками.

Когда свет покидает пределы оптического волокна, он направляется в область промежутка между вышеупомянутыми площадками. Из-за малой толщины этого промежутка волны света не могут пройти сквозь него, зато это достаточно хорошо удается плазмонам, которые возникают на поверхности металлической площадки. А пройдя через промежуток и достигнув противоположной площадки, плазмоны снова превращаются в фотоны света.

Для того, чтобы обеспечить управление потоком проходящего через устройство света, ученые приложили к двум площадкам электрический потенциал, который вындил один из атомов серебра переместиться на самый край выступа. Этот атом устроил электрическое короткое замыкание между серебряной и платиновой площадками, что привело к изменениям оптических характеристик всей системы, которая перестала пропускать проходящий через нее свет. Когда напряжение между площадками было снято, атом серебра вернулся в исходное состояние и характеристики системы возвратились к изначальным. И этот процесс может быть повторен практически неограниченное количество раз.

Следует отметить, что данный одноатомный оптический транзистор является не самым быстрым оптическим транзистором, созданным людьми. Однако, это первое в своем роде такое устройство и нет никаких практических и теоретических ограничений, которые могут препятствовать ему стать намного быстрее. Кроме этого исследователи признают, что разработанное ими устройство еще абсолютно не готово к условиям массового производства и практического применения. Все это станет возможных через несколько лет, когда технологии 10-нм литографии прочно закрепятся в области производства и смогут обеспечить высококачественное производства столь малых элементов.