ترانزیستورهای نوری

گروه های تحقیقاتی پیشرو در زمینه نانوفوتونیک در تلاشند تا مؤلفه های اصلی ترانزیستورهای نوری را برای رایانه های نوری آینده توسعه دهند.
این دستگاه ها به جای الکترون ، اطلاعات را با فوتون پردازش می کنند ، در نتیجه گرما را کاهش داده و سرعت کار را افزایش می دهد.
با این حال ، فوتون ها به خوبی با یکدیگر در تعامل نیستند و این یک مشکل بزرگ برای مهندسان میکروالکترونیک ایجاد می کند. گروهی از محققان دانشگاه ITMO ، بهمراه همكاران ، با ایجاد یك سیستم مسطح كه فوتونها را به ذرات دیگر وصل می كنند ، راه حل جدیدی را برای این مسئله ارائه داده اند ، كه این امر آنها را قادر می سازد تا با یکدیگر ارتباط برقرار كنند.
این اصل نشان داده شده در آزمایش آنها می تواند زمینه ای برای توسعه ترانزیستورهای نوری آینده فراهم کند. نتایج کار آنها در Light: Science & Applications منتشر شده است.
ترانزیستورها به لطف حرکت کنترل شده الکترونها کار می کنند. این رویکرد برای ده ها سال مورد استفاده قرار گرفته است ، اما اشکالاتی نیز دارد. اول ، وسایل الکترونیکی در هنگام انجام یک کار تمایل به گرم شدن دارند ، به این معنی که بخشی از انرژی به عنوان گرما هدر می رود و برای کارهای واقعی استفاده نمی شود. برای کنترل گرمایش ، دستگاه ها به عناصر ترکیبی مجهز شده اند ، بنابراین انرژی بیشتری را نیز هدر می دهند.
دوم ، دستگاه های الکترونیکی سرعت پردازش محدود دارند. برخی از این مسائل با استفاده از فوتون به جای الکترون قابل حل است. دستگاه هایی که برای رمزگذاری اطلاعات از فوتون ها استفاده می کنند ، گرمای کمتری تولید می کنند ، به انرژی کمتری نیاز دارند و سریعتر کار می کنند.

توسعه ترانزیستورهای نوری

بنابراین ، دانشمندان در سراسر جهان در حال انجام تحقیقات در زمینه رایانه های نوری هستند. با این حال ، مشکل اصلی این است که فوتون ها ، بر خلاف الکترون ها ، هیچ تعامل با یکدیگر ندارند. بنابراین محققان روشهایی را برای "آموزش" فوتونها برای تعامل با یکدیگر پیشنهاد داده اند.
یک ایده این است که با ذرات دیگر فوتون ها را جفت کنید. گروهی از محققان گروه فیزیک و مهندسی ITMO ، همراه با همکاران ، اجرای جدیدی را نشان داده اند که در آن فوتون ها را به محرک های نیمه هادی های تک لایه تبدیل می کنند. اکسیتونها هنگامی که الکترونها برانگیخته می شوند ، در نیمه هادی ها شکل می گیرند و پیوندهای پوستی خالی را پشت سر می گذارند (یا حفره های الکترونی ، همانطور که فیزیکدانان آنها را می نامند). هم الکترون و هم سوراخ آن می توانند با یکدیگر در تعامل باشند و ذره جدیدی ایجاد کنند - یک اگزیتون ،
واسیلی كراتسوف ، یك پژوهشگر برجسته در دانشگاه ITMO و یكی از مؤلفان مقاله ، توضیح می دهد: "اگر ما به شدت از ذرات سبك استفاده كنیم ، به پولاریتون خواهیم رسید." "اینها تا حدودی سبک هستند ، به این معنی که از آنها می توان برای انتقال سریع اطلاعات استفاده کرد ؛ اما در عین حال ، آنها می توانند بسیار خوب با یکدیگر ارتباط برقرار کنند."
ایجاد ترانزیستور مبتنی بر polariton ساده نیست. محققان باید سیستمی را طراحی کنند که این ذرات بتوانند به اندازه کافی طولانی وجود داشته باشند و در عین حال قدرت تعامل زیاد خود را حفظ کنند. در آزمایشگاه های گروه فیزیک و مهندسی ITMO ، پلاریتون ها با کمک لیزر ، موجبر و یک لایه نیمه هادی دیزلنید مولیبدن بسیار نازک ایجاد می شوند. یک لایه نیمه هادی به ضخامت سه اتم بر روی یک موجبر نانوفوتونیک با یک شبکه دقیق از شیارهای بسیار ریز حک شده در سطح آن قرار داده شده است.
پس از آن ، با ایجاد لیزر قرمز روشن می شود تا اکسایون ها در نیمه هادی ایجاد شوند. این اگزیتون ها با ذرات سبک زوج می شوند و پلاریتون ها را ایجاد می کنند که در سیستم به دام می افتند.
پولاریتون های بدست آمده از این راه نه تنها برای دوره های نسبتاً طولانی وجود دارند ، بلکه غیرخطی بالایی نیز دارند ، به این معنی که آنها به طور فعال با یکدیگر در تعامل هستند.
"این ما را به ایجاد ترانزیستور نوری نزدیکتر می کند ، زیرا در حال حاضر ما یک سکوی مسطح کمتر از 100 نانومتر ضخامت داریم ، که می تواند در یک تراشه یکپارچه شود. از آنجا که غیرخطی بودن بسیار زیاد است ، ما به یک لیزر قدرتمند نیاز نخواهیم داشت - یک نور قرمز کوچک. منبع نور کافی خواهد بود ، که می تواند بر روی تراشه ادغام شود ، "
در حال حاضر ، این مطالعه ادامه دارد ، زیرا محققان باید اثربخشی سیستم خود را در دمای اتاق نشان دهند.