Ученые университета ИТМО разработали метод управления светом с помощью лазерных вспышек, который в тысячи раз быстрее существующих аналогов и не требует механического или электрического воздействия. Как сообщили в пресс-службе вуза, разработка открывает путь к созданию сверхбыстрых фотонных микросхем, способных решить проблему перегрева и низкой скорости передачи данных в современных компьютерах.
Разработка направлена на решение проблемы, с которой столкнулись производители электроники при попытке дальнейшей миниатюризации устройств. Металлические проводники в традиционных чипах перегреваются, а скорости передачи сигналов внутри них недостаточно для задач, связанных с обработкой больших данных и алгоритмами искусственного интеллекта. Альтернативой могут стать фотонные интегральные схемы, где информацию переносят частицы света — фотоны. Однако до последнего времени главным препятствием оставалась сложность быстрого управления светом.
В основе новой технологии лежит работа с экситон-поляритонами — гибридными частицами, сочетающими свойства света и вещества. Чтобы управлять ими, ученые создали специальную структуру: в диэлектрический волновод из гексагонального нитрида бора был внедрен атомарно тонкий слой полупроводника на основе дисульфида вольфрама, толщиной всего в три атома. Воздействие на систему осуществляется сверхкороткими лазерными импульсами, которые меняют свойства гибридных частиц. Переключение происходит быстрее чем за одну пикосекунду, что в сотни тысяч раз быстрее тепловых или механических методов.
Как пояснил руководитель лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО Василий Кравцов, важным преимуществом метода является его энергоэффективность. Из-за сверхмалой толщины полупроводникового слоя для переключения требуются гораздо меньшие мощности лазера по сравнению с другими оптическими подходами. Кроме того, все процессы происходят при комнатной температуре, что упрощает встраивание новой технологии в существующие вычислительные устройства.
Для наблюдения за процессом ученые использовали миниатюрную линзу-полусферу из фосфида галлия — материала с высоким показателем преломления. Она позволяет заглянуть внутрь волновода и увидеть переключение гибридных волн без разрушения самого процесса. Ранее, в 2023 году, та же научная группа уже демонстрировала возможность наблюдения за экситон-поляритонами, однако тогда управление требовало механического перемещения линзы. Нынешняя разработка полностью оптическая.
В пресс-службе университета отметили, что метод может быть использован при создании сверхбыстрых оптических модуляторов и логических элементов. В ближайшие два-три года команда планирует представить прототип такого модулятора на чипе, где переключение света будет происходить в заданных точках. В перспективе такие компоненты могут найти применение в суперкомпьютерах и телекоммуникационном оборудовании. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и программы «Приоритет-2030».
Читайте также: «Разработка красноярских ученых обеспечит 99% территории России связью».