I principali gruppi di ricerca nel campo della nanofotonica stanno lavorando allo sviluppo di transistor ottici, componenti chiave per i futuri computer ottici. Questi dispositivi elaboreranno le informazioni con fotoni invece che con elettroni, riducendo così il calore e aumentando la velocità di funzionamento. Però, i fotoni non interagiscono bene tra loro, che crea un grosso problema per gli ingegneri della microelettronica. Un gruppo di ricercatori dell'Università ITMO, insieme ai colleghi, hanno trovato una nuova soluzione a questo problema creando un sistema planare in cui i fotoni si accoppiano ad altre particelle, che consente loro di interagire tra loro. Il principio dimostrato nel loro esperimento può fornire una piattaforma per lo sviluppo di futuri transistor ottici. I risultati del loro lavoro sono pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .

I transistor funzionano grazie al movimento controllato degli elettroni. Questo approccio è stato utilizzato per decenni, ma ha diversi inconvenienti. Primo, i dispositivi elettronici tendono a surriscaldarsi quando svolgono un compito, il che significa che parte dell'energia viene sprecata sotto forma di calore e non utilizzata per il lavoro effettivo. Per controllare il riscaldamento, i dispositivi sono dotati di elementi tubanti, sprecando così ancora più energia. Secondo, i dispositivi elettronici hanno una velocità di elaborazione limitata. Alcuni di questi problemi possono essere risolti utilizzando fotoni invece di elettroni. I dispositivi che utilizzano i fotoni per la codifica delle informazioni produrrebbero meno calore, richiedono meno energia, e lavorare più velocemente.

Così, scienziati di tutto il mondo stanno conducendo ricerche nel campo dei computer ottici. Però, il problema principale è che i fotoni, a differenza degli elettroni, non interagiscono tra loro. Quindi i ricercatori hanno suggerito metodi per "addestrare" i fotoni ad interagire tra loro. Un'idea è quella di accoppiare i fotoni con altre particelle. Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO, insieme ai colleghi, hanno dimostrato una nuova implementazione in cui i fotoni si accoppiano agli eccitoni in semiconduttori a strato singolo. Gli eccitoni si formano nei semiconduttori quando gli elettroni sono eccitati, lasciando vuoti legami di valenza (o buchi di elettroni, come li chiamano i fisici). Sia l'elettrone che la sua lacuna possono interagire tra loro, creando una nuova particella, un eccitone, che a sua volta può interagire con altri eccitoni.

"Se accoppiamo fortemente gli eccitoni alle particelle leggere, otterremo polaritoni, " spiega Vasily Kravtsov, uno dei principali ricercatori dell'Università ITMO e uno dei coautori del documento. "Questi sono in parte leggeri, il che significa che possono essere utilizzati per trasferire informazioni molto velocemente; ma allo stesso tempo, possono interagire molto bene tra loro."

La creazione di un transistor basato su polaritoni non è semplice. I ricercatori devono progettare un sistema in cui queste particelle possano esistere abbastanza a lungo pur mantenendo la loro elevata forza di interazione. Nei laboratori del Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO, i polaritoni sono creati con l'aiuto di un laser, una guida d'onda e uno strato semiconduttore di diseleniuro di molibdeno estremamente sottile. Uno strato semiconduttore dello spessore di tre atomi è posto su una guida d'onda nanofotonica con una precisa rete di solchi molto fini incisi sulla sua superficie. Dopo di che, è illuminato con un laser rosso per creare eccitoni nel semiconduttore. Questi eccitoni si accoppiano con particelle di luce, creando polaritoni, che sono intrappolati nel sistema.

I polaritoni così ottenuti non solo esistono per periodi di tempo relativamente lunghi, ma hanno anche una non linearità extra elevata, nel senso che interagiscono attivamente tra loro.

"Ci avvicina alla creazione di un transistor ottico, poiché ora abbiamo una piattaforma planare spessa meno di 100 nanometri, che potrebbe essere integrato su un chip. Poiché la non linearità è piuttosto elevata, non avremmo bisogno di un laser potente:basterà una piccola sorgente di luce rossa, che potrebbe anche essere integrato nel chip, " dice Vasily Kravtsov.

Al momento, lo studio continua, poiché i ricercatori devono dimostrare l'efficienza del loro sistema a temperatura ambiente.