Los principales grupos de investigación en el campo de la nanofotónica están trabajando para desarrollar transistores ópticos, componentes clave para las futuras computadoras ópticas. Estos dispositivos procesarán información con fotones en lugar de electrones, reduciendo así el calor y aumentando la velocidad de funcionamiento. Sin embargo, los fotones no interactúan bien entre sí, lo que crea un gran problema para los ingenieros de microelectrónica. Un grupo de investigadores de la Universidad ITMO, junto con colegas, han encontrado una nueva solución a este problema mediante la creación de un sistema plano donde los fotones se acoplan a otras partículas, lo que les permite interactuar entre sí. El principio demostrado en su experimento puede proporcionar una plataforma para desarrollar futuros transistores ópticos. Los resultados de su trabajo se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .

Los transistores funcionan gracias al movimiento controlado de los electrones. Este enfoque se ha utilizado durante décadas, pero tiene varios inconvenientes. Primero, los dispositivos electrónicos tienden a calentarse cuando realizan una tarea, lo que significa que parte de la energía se desperdicia en forma de calor y no se utiliza para el trabajo real. Para controlar la calefacción, los dispositivos están equipados con elementos de refrigeración, desperdiciando así aún más energía. Segundo, Los dispositivos electrónicos tienen una velocidad de procesamiento limitada. Algunos de estos problemas se pueden resolver utilizando fotones en lugar de electrones. Los dispositivos que utilizan fotones para la codificación de información producirían menos calor, requieren menos energía, y trabaje más rápido.

Por lo tanto, Los científicos de todo el mundo están realizando investigaciones en el campo de las computadoras ópticas. Sin embargo, el principal problema es que los fotones, a diferencia de los electrones, no interactúen entre sí. Así que los investigadores han sugerido métodos para "entrenar" a los fotones para que interactúen entre sí. Una idea es acoplar fotones con otras partículas. Un grupo de investigadores del Departamento de Física e Ingeniería de ITMO, junto con colegas, han demostrado una nueva implementación en la que los fotones se acoplan a los excitones en semiconductores de una sola capa. Los excitones se forman en los semiconductores cuando se excitan los electrones, dejando atrás enlaces de valencia vacíos (o huecos de electrones, como los llaman los físicos). Tanto el electrón como su agujero pueden interactuar entre sí, creando una nueva partícula:un excitón, que a su vez puede interactuar con otros excitones.

"Si acoplamos fuertemente los excitones a las partículas ligeras, obtendremos polaritones, "explica Vasily Kravtsov, un investigador líder en la Universidad ITMO y uno de los coautores del artículo. "Estos son en parte ligeros, lo que significa que se pueden utilizar para transferir información muy rápidamente; pero al mismo tiempo, pueden interactuar muy bien entre sí ".

Crear un transistor basado en polaritones no es sencillo. Los investigadores deben diseñar un sistema en el que estas partículas puedan existir el tiempo suficiente sin dejar de mantener su alta fuerza de interacción. En los laboratorios del Departamento de Física e Ingeniería de ITMO, Los polaritones se crean con la ayuda de un láser, una guía de ondas y una capa semiconductora de diselenuro de molibdeno extremadamente delgada. Se coloca una capa semiconductora de tres átomos de espesor sobre una guía de ondas nanofotónica con una red precisa de ranuras muy finas grabadas en su superficie. Después, se ilumina con un láser rojo para crear excitones en el semiconductor. Estos excitones se combinan con partículas de luz, creando polaritones, que están atrapados en el sistema.

Los polaritones obtenidos de esta manera no solo existen durante períodos de tiempo relativamente largos, pero también tienen una no linealidad extra alta, lo que significa que interactúan activamente entre sí.

"Nos acerca a la creación de un transistor óptico, como ahora tenemos una plataforma plana de menos de 100 nanómetros de espesor, que podría integrarse en un chip. Como la no linealidad es bastante alta, no necesitaríamos un láser potente; una pequeña fuente de luz roja será suficiente, que también podría integrarse en el chip, "dice Vasily Kravtsov.

En este momento, el estudio continúa, ya que los investigadores tienen que demostrar la eficiencia de su sistema a temperatura ambiente.