Пастка для фотонів: нова технологія відкриває шлях до оптичних комп’ютерів

Фізики з Варшавського університету зуміли втримати пучки інфрачервоного світла в нанорешітці з атомів завтовшки всього 42 нанометри — це приблизно у 2000 разів тонше за людську волосину. Результати опубліковані в журналі ACS Nano.

Матеріал із рекордним показником заломлення

Інфрачервоне світло має довші хвилі, ніж видиме, — і саме тому втримати його в мікроскопічному просторі фізично непросто. Розмір пастки має бути меншим за довжину хвилі, а це ставить жорсткі вимоги до матеріалу.

Подія в Києві на перетині мистецтва, космосу та технологій! Дізнатися більше

Ключем стала плівка з диселеніду молібдену (MoSe₂​). Цей надтонкий напівпровідник має виключно високий показник заломлення (близько 4,5), тобто здатність уповільнювати й згинати світло. Саме така особливість дозволяє утримувати фотони в об’ємі, що значно менший за довжину хвилі у вакуумі. Хоча сполука давно відома науці, надійно виготовляти її на нанорівні раніше не вдавалося. Команда виростила атомарно тонку плівку та за допомогою нанодруку створила в ній періодичну решітку. Її геометрія розрахована так, щоб подолати дифракційну межу — бар’єр, який зазвичай заважає стиснути світло сильніше за його власну хвилю. Така конфігурація дозволяє буквально «замикати» випромінювання всередині наноструктури.

Зв’язаний стан у континуумі

Окрім матеріалу, знадобився ще один фізичний ефект — так званий зв’язаний стан у континуумі (BIC). Це явище, за якого світлові хвилі залишаються замкненими всередині структури, завдяки деструктивній інтерференції, навіть попри те, що поруч поширюються хвилі, які «йдуть назовні». Щоб BIC спрацював, решітку треба точно розрахувати й виготовити — дослідники ретельно змоделювали структуру перед тим, як побудувати її фізично.

Що це дає на практиці

Це крок до створення комп’ютерів, що використовують світло замість електрики. На відміну від сучасних ПК, що гріються і втрачають енергію через опір металів, фотонні процесори оброблятимуть дані зі швидкістю світла. Утримання фотонів у пастках завтовшки 42 нм доводить, що такі компоненти можуть бути навіть компактнішими за сучасні мікросхеми. До масового впровадження ще далеко: сам процес вирощування плівок поки недосконалий — команді доводилося полірувати матеріал шовковими серветками для досягнення атомарної гладкості та усунення нерівностей. Проте дослідники впевнені, що підхід можна розвинути далі й поширити на інші матеріали з родини перехідних металевих дихалькогенідів (TMD) — схожих надтонких структур з подібними властивостями.

Джерело: sciencealert.com