Группа ученых из Москвы и Санкт-Петербурга исследовала оптические свойства нанопроволок фосфида галлия и показала, что из этих кристаллов можно делать сложные оптические элементы для интегральных схем компьютеров будущего. Работа опубликована в научном журнале Small. Об этом CNews сообщили представители МФТИ.
Производительность компьютеров и смартфонов напрямую зависит от числа транзисторов, которые можно уместить на их микросхеме. Например, современные ноутбуки содержат несколько десятков млрд транзисторов. С каждым годом размеры электронных компонент уменьшаются, но разработчики уже близки к пределу, когда квантовые эффекты будут вмешиваться в работу процессоров. Кроме того, использование электронов для передачи и обработки информации неминуемо ведет к выделению тепла в металлических шинах. Поэтому ученые ищут альтернативные способы повысить производительность компьютеров. Одно из таких направлений — оптические интегральные схемы, в которых информация передается с помощью света. Фотоны гораздо слабее взаимодействуют с проводником, исключая нагрев устройств. Оптические сигналы уже зарекомендовали себя для передачи данных в оптоволокнах, но на наномасштабах, иначе - на чипе, готовых решений пока нет. Ученые из МФТИ подбирают оптимальные материалы, подходящие для создания оптических наноустройств. Такие материалы должны пропускать видимый свет (а еще лучше ультрафиолетовый) и иметь низкие оптические потери.
В качестве одного из таких перспективных материалов физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами изучили фосфид галлия. Ученые изготовили волноводы из его нанокристаллов, определили минимальный допустимый диаметр, при котором они будут передавать свет, и создали из двух кристаллов разветвитель.
Для эксперимента ученые вырастили на кремниевой подложке нитиевидные нанокристаллы фосфида галлия разных диаметров. Такие «нити» можно использовать в качестве волновода — канала, передающего свет, по сути, простейшего оптического элемента.
Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ сказал: «Мы показываем, что, используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нм — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».
В первой части эксперимента физики исследовали влияние диаметра волновода на его светопроводящие свойства. На один конец нанокристалла известного диаметра фокусировали лазерный пучок и смотрели в оптический микроскоп, высвечивается ли свет на другом конце. Минимальный диаметр кристалла, при котором свет проходил через волновод, зависел от длины волны лазера. Чем больше длина волны, тем шире должен быть волновод.
Затем ученые более детально исследовали пропускающие способности волновода. Для этого они вводили широколополосное лазерное излучение (от видимого до ближнего инфракрасного диапазона) в один конец нанопроволоки и измеряли спектр на другом. Выходной спектр зависел от ее диаметра. Определенные провода показали проявление пиков в спектрах пропускания. Это значит, что волноводы из фосфида галлия проявляют резонансные свойства — с их помощью можно усиливать свет определенной частоты, достигая фильтрации сигнала или генерацию лазерного излучения на наномасштабе.
Источник: https://www.cnews.ru/