Российские ученые Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета РАН (СПб АУ РАН) предложили концептуально новый подход к вопросу разработки сверхбыстрого оптического транзистора, сделав его прототип всего из одной кремниевой наночастицы.
Специалисты обнаружили, что могут радикально менять свойства кремниевых наночастиц, облучая их интенсивными сверхкороткими лазерными импульсами. Под воздействием излучения внутри частицы формируется плотная и быстро релаксирующая электронно-дырочная плазма, наличие которой на несколько пикосекунд сильно меняет диэлектрическую проницаемость кремния. Это резкое изменение в структуре наночастицы, вызываемое лазерным импульсом, приводит к возможности управлять направленностью рассеянного частицей падающего света. Так, в зависимости от мощности управляющего лазерного импульса наночастица может перестать рассеивать свет назад и начать рассеивать его вперед.
Как пояснил старший научный сотрудник лаборатории ИТМО и первый автор статьи на тему создания сверхбыстрого оптического транзистора Сергей Владимирович Макаров, «до сих пор ученые в основном пытались создать оптические нанотранзисторы, управляя поглощением наночастиц, что, в сущности, тоже логично — в режиме высокого поглощения частица почти не пропускает световой сигнал, а в режиме низкого поглощения пропускает. Однако этот подход пока не оправдал ожиданий. Наша концепция отличается тем, что мы предлагаем управлять не поглощением, а диаграммой направленности частицы. Иными словами, в обычном режиме частица, например, рассеивает почти весь свет назад, но как только частица получает более интенсивный управляющий сигнал, она начинает перестраиваться и рассеивать свет вперед».
Выбор кремния в качестве материала для транзистора не был случайным. Реализация оптического транзистора требует использования недорогих материалов, подходящих для массового производства и способных в режиме плотной электронно-дырочной плазмы (за несколько пикосекунд) менять свои оптические свойства и при этом почти не нагреваться.