Nanofotoniikan alan johtavat tutkimusryhmät pyrkivät kehittämään optisia transistoreita, jotka ovat tulevaisuuden optisten tietokoneiden avainkomponentteja. Pietarin ITMO-yliopiston tutkijat ovat tehneet innovaation, joka vie meidän lähemmäksi fotonitransistoria.
Optiset tietokoneet käsittelevät tietoja fotoneilla elektronien sijasta. Tämä tekee koneista nopeampia ja viileämpiä. Iso haaste on se, että fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Nyt ryhmä tutkijoita ITMO-yliopistosta on keksinyt uuden ratkaisun tähän ongelmaan luomalla tasomaisen järjestelmän, jossa fotonit yhdistyvät muihin hiukkasiin. Näin fotonit voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään.
On yleisesti tiedossa, että transistorit toimivat elektronien hallitun liikkeen ansiosta. Sähkövirtoja käytetään prosessoimaan, koodaamaan ja siirtämään tietoja tietokoneissa, älypuhelimissa, televisioissa ja monissa muissa laitteissa. Prosessi tuottaa lämpöä, joten meidän on varustettava laitteemme jäähdyttimillä, mikä entisestään kasvattaa käytetyn energian määrää.
Osa ongelmista voidaan ratkaista käyttämällä elektronien sijasta fotoneja, valohiukkasia. Laitteet, jotka käyttävät fotoneja tiedon koodaamiseen, tuottavat vähemmän lämpöä, vaativat vähemmän energiaa ja toimivat nopeammin. Optisen transistorin valmistaminen ei kuitenkaan ole helppoa, koska transistorien elektronien ei voi yksinkertaisesti korvata fotoneilla.
Tutkijat ympäri maailmaa ehdottavat erilaisia menetelmiä fotonien ”opettamiseksi” vuorovaikutukseen toistensa kanssa. Yhdessä näistä menetelmistä ideana on yhdistää fotonit muiden hiukkasten kanssa. Ryhmä tutkijoita ITMO:n fysiikan ja tekniikan tiedekunnasta on osoittanut uuden tehokkaan toteutuksen, jossa fotonit yhdistyvät eksitoneihin yksikerroksisissa puolijohteissa. Tutkimus tehtiin Sheffieldin yliopiston kanssa.
Eksitonit muodostuvat, kun elektroni virittyy, jättää taakse tyhjän sidoksen tai sellaisen, joka on positiivisesti varautunut. Elektronit ja nämä elektroniaukot voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään eksitonina. Ne ovat dipoleja, joilla on negatiivinen ja positiivinen napansa, joiden välityksellä ne voivat olla vuorovaikutuksessa muiden eksitonien kanssa. Jos yhdistämme eksitonit fotoneihin tarpeeksi vahvasti, saamme polaritoneja. Polaritoneja voidaan käyttää erittäin nopeaan tiedon siirtoon, mutta samalla he voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
ITMO-tutkijoiden mukaan fotonitransistori voidaan luoda polaritonien avulla. Tämä ei kuitenkaan ole helppoa. On suunniteltava järjestelmä, jossa nämä hiukkaset voisivat esiintyä riittävän kauan säilyttäen samalla hyvän vuorovaikutusominaisuutensa.
ITMO: n fysiikan ja tekniikan tiedekunnan laboratorioissa polaritonit luodaan laserin, aaltojohdon ja erittäin ohuen molybdeeni-diselenidi-puolijohdekerroksen avulla. Kolmen atomin paksuinen puolijohdekerros integroidaan nanofotoniseen aaltojohtoon, jonka pintaan kaiverrettu tarkka verkko erittäin hienoista urista. Sen jälkeen se valaistaan punaisella laserilla eksitonien luomiseksi puolijohteessa. Nämä eksitonit parittuvat kevyiden hiukkasten kanssa muodostaen polaritoneja.
Tällä tavalla luodut polaritonit ovat suhteellisen pitkäikäisiä. Niillä on myös erittäin korkea epälineaarisuus, mikä tarkoittaa, että ne ovat aktiivisesti vuorovaikutuksessa keskenään, tutkijat selittävät.
Vielä ei olla vaiheessa, jossa suunniteltaisiin polaritonipiirejä. Tutkijoiden on seuraavaksi osoitettava, että heidän järjestelmänsä voi toimia huoneenlämpötilassa, koska kokeet on tähän mennessä tehty -120 asteessa.
