Los físicos del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad ITMO han demostrado experimentalmente la viabilidad de diseñar un análogo óptico de un transistor basado en una sola nanopartícula de silicio. Dado que los transistores son algunos de los componentes más fundamentales de los circuitos informáticos, los resultados del estudio tienen una importancia crucial para el desarrollo de las computadoras ópticas, donde los transistores deben ser muy pequeños y ultrarrápidos al mismo tiempo. El estudio fue publicado en la revista científica Nano letras .

El rendimiento de las computadoras modernas, que utilizan electrones como portadores de señales, está limitado en gran medida por el tiempo necesario para activar el transistor, normalmente entre 0,1 y un nanosegundo (1 / 1.000.000.000 de segundo). Computadoras ópticas de próxima generación, sin embargo, confiar en fotones para transportar la señal útil, lo que aumenta considerablemente la cantidad de información que pasa a través del transistor por segundo. Por esta razón, La creación de un transistor totalmente óptico ultrarrápido y compacto se considera fundamental en el desarrollo de la computación óptica. Tal nanodispositivo permitiría a los científicos controlar la propagación de un haz de señal óptica por medio de un haz de control externo dentro de varios picosegundos.

En el estudio, un grupo de científicos rusos de la Universidad ITMO, El Instituto de Física Lebedev y la Universidad Académica de San Petersburgo adoptaron un enfoque completamente nuevo para diseñar tales transistores ópticos, habiendo hecho un prototipo usando solo una nanopartícula de silicio.

Los científicos descubrieron que podían cambiar drásticamente las propiedades de una nanopartícula de silicio al irradiarla con un pulso láser intenso y ultracorto. El láser actúa así como un rayo de control, proporcionando una fotoexcitación ultrarrápida de plasma de agujeros de electrones denso y rápidamente recombinante cuya presencia cambia la permitividad dieléctrica del silicio durante unos pocos picosegundos. Este cambio brusco en las propiedades ópticas de la nanopartícula abre la posibilidad de controlar la dirección en la que se dispersa la luz incidente. Por ejemplo, la dirección de la dispersión de nanopartículas se puede cambiar de atrás hacia adelante en una escala de tiempo de picosegundos, dependiendo de la intensidad del pulso láser de control de incidentes. Este concepto de conmutación ultrarrápida es muy prometedor para el diseño de transistores totalmente ópticos.

"Generalmente, Los investigadores en este campo se centran en el diseño de transistores totalmente ópticos a nanoescala mediante el control de la absorción de nanopartículas, cuales, en esencia, es completamente lógico. En modo de alta absorción, la señal de luz es absorbida por la nanopartícula y no puede pasar, mientras que fuera de este modo, se permite que la luz se propague más allá de la nanopartícula. Sin embargo, este método no arrojó ningún resultado decisivo, "explica Sergey Makarov, autor principal del estudio e investigador principal del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales. "Nuestra idea es diferente en el sentido de que no controlamos las propiedades de absorción de la nanopartícula, sino más bien su diagrama de dispersión. Digamos que la nanopartícula normalmente dispersa casi toda la luz incidente en la dirección hacia atrás, pero una vez que lo irradiamos con un pulso de control, se reconfigura y comienza a dispersar la luz hacia adelante ".

La elección del silicio como material para el transistor óptico no fue accidental. La creación de un transistor óptico requiere el uso de materiales económicos apropiados para la producción en masa y capaces de cambiar sus propiedades ópticas en varios picosegundos (en el régimen de plasma denso de agujeros de electrones) sin sobrecalentarse al mismo tiempo.

"El tiempo que tardamos en desactivar nuestra nanopartícula asciende a unos pocos picosegundos, mientras que para activarlo no necesitamos más de decenas de femtosegundos. Ahora ya tenemos datos experimentales que indican claramente que una sola nanopartícula de silicio puede desempeñar el papel de un transistor totalmente óptico. Actualmente estamos planeando realizar nuevos experimentos, dónde, junto con un rayo de control láser, introduciremos un haz de señales útil ", concluye Pavel Belov, coautor del artículo y jefe del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales.