Новое оптическое устройство может включаться и выключаться триллионы раз в секунду. Он состоит из отдельных переключателей, диаметр которых составляет всего одну пятисотую ширины человеческого волоса (200 нанометров). Этот размер намного меньше, чем у оптических переключателей нынешнего поколения, и он легко преодолевает один из основных технических барьеров на пути распространения электронных устройств, которые обнаруживают и контролируют свет: уменьшение размера сверхбыстрых оптических переключателей.Новое устройство было разработано группой ученых из Университета Вандербильта, Университета Алабамы-Бирмингема и Национальной лаборатории Лос-Аламоса и описано в выпуске журнала Nano Letters от 12 марта.
Сверхбыстрый переключатель сделан из искусственного материала, обладающего свойствами, не встречающимися в природе. В этом случае «метаматериал» состоит из наноразмерных частиц диоксида ванадия (VO2) — кристаллического твердого вещества, которое может быстро переключаться между непрозрачной металлической фазой и прозрачной полупроводниковой фазой, которые осаждаются на стекле. подложка и покрыта «нанометром» из крошечных наночастиц золота.
Ученые сообщают, что обработка этих позолоченных наночастиц короткими импульсами сверхбыстрого лазера генерирует горячие электроны в золотом наноразмерном слое, которые прыгают в диоксид ванадия и заставляют его претерпевать изменение фазы за несколько триллионных долей секунды.«Ранее мы запускали этот переход в наночастицах диоксида ванадия непосредственно с помощью лазеров, и мы хотели посмотреть, сможем ли мы сделать это и с электронами», — сказал Ричард Хаглунд, профессор физики Стивенсона в Вандербильте, руководивший исследованием. «Это не только работает, но и инжекция горячих электронов из золотых наночастиц также запускает преобразование с потребляемой от одной пятой до одной десятой энергии, необходимой для излучения лазера непосредственно на чистый VO2».Как промышленность, так и правительство вкладывают значительные средства в усилия по интеграции оптики и электроники, поскольку обычно это считается следующим шагом в эволюции информационных и коммуникационных технологий.
Intel, Hewlett-Packard и IBM в течение последних пяти лет создают микросхемы с увеличивающейся оптической функциональностью, которые работают на гигагерцовых скоростях, что составляет одну тысячную от скорости коммутатора VO2.«Переключатели из диоксида ванадия обладают рядом характеристик, которые делают их идеальными для применения в оптоэлектронике», — сказал Хаглунд. Помимо высокой скорости и небольшого размера, они:• Полностью совместимы с современной технологией интегральных схем, как микросхемы на основе кремния, так и новые материалы с «высоким К-диэлектриком», которые разрабатывает полупроводниковая промышленность для продолжения процесса миниатюризации, который был основным аспектом развития технологии микроэлектроники;• Работать в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, оптимальных для телекоммуникационных приложений;• Вырабатывают достаточно мало тепла за одну операцию, чтобы переключатели можно было упаковать достаточно плотно для создания практичных устройств: около десяти триллионных долей калории (100 фемтоджоулей) на бит.
«Удивительные свойства диоксида ванадия известны уже более полувека. В Vanderbilt мы изучаем наночастицы VO2 в течение последних десяти лет, но этот материал удивительно успешно сопротивлялся теоретическим объяснениям», — сказал Хаглунд. «Только в последние несколько лет интенсивные вычислительные исследования пролили свет на физику, лежащую в основе перехода от полупроводника к металлу».